科技日報記者 張曄
氧氣是生命之源。早期地球氧氣含量極低，直到24億年前，地球發(fā)生第一次大氧化事件，含氧量達(dá)現(xiàn)在的1%以上，導(dǎo)致真核生物在地球上首次出現(xiàn)。而第二次大氧化事件則是在5.8億—5.2億年前，大氣中的氧含量才增加到現(xiàn)代大氣氧含量的60%以上，從而觸發(fā)了動物的快速起源以及寒武紀(jì)大爆發(fā)等。
為什么在第一次大氧化事件之后，地球大氣和海洋的氧化程度遲滯了近20億年才急劇增加呢？中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究員領(lǐng)導(dǎo)的中英合作團(tuán)隊，采用多種地球化學(xué)指標(biāo)并結(jié)合數(shù)學(xué)模型，首次系統(tǒng)論證了巨大海洋溶解有機(jī)碳庫的存在是遲滯元古宙海洋徹底氧化的關(guān)鍵原因。近日，該成果在地球科學(xué)期刊《地球與行星科學(xué)通訊》上發(fā)表。
溶解有機(jī)碳庫模型最早由美國學(xué)者提出，該模型認(rèn)為，前寒武紀(jì)海洋表層透光帶內(nèi)進(jìn)行光合作用的微生物主要是原核生物，這些微生物死亡后的有機(jī)質(zhì)顆粒細(xì)小、沉降速率慢，在海水中不斷積累形成一個巨大海洋溶解有機(jī)碳庫，超過現(xiàn)代大洋溶解有機(jī)碳庫1000倍以上。由于這種以細(xì)菌為主的細(xì)小有機(jī)質(zhì)顆粒易于氧化降解，大量消耗海水中氧氣，從而導(dǎo)致了大洋的長期缺氧并阻止了大氣氧化的增加。這就好比前寒武紀(jì)海洋是一個巨大的沼澤池，水體中大量腐殖有機(jī)質(zhì)不斷消耗著氧氣，導(dǎo)致水體渾濁并缺氧。只有當(dāng)這個有機(jī)碳庫被徹底移除，大氣和海洋的氧氣含量才能夠?qū)嵸|(zhì)增加。但這一模型隨后遭到質(zhì)疑，反對者認(rèn)為古代地球不可能提供足夠的氧化劑來移除海洋中巨大的碳庫。
2019年，朱茂炎帶領(lǐng)中英團(tuán)隊在《自然·地球科學(xué)》上發(fā)文提出，大規(guī)模造山運動導(dǎo)致海盆中形成的巨量蒸發(fā)鹽礦物的風(fēng)化，可以帶來大量的硫酸鹽（氧化劑），它們通過硫酸鹽還原菌大規(guī)模消耗海水中的溶解有機(jī)碳，并通過黃鐵礦的大規(guī)模埋藏（產(chǎn)氧），最終導(dǎo)致碳庫的減小和海洋的迅速氧化。
為了支持該假說，團(tuán)隊此次在我國三峽地區(qū)南坨村剖面埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組地層（約6億年之前）中，發(fā)現(xiàn)一個地質(zhì)歷史上最大、但持續(xù)時間很短的碳同位素負(fù)漂移事件。為了弄清這一負(fù)漂移事件發(fā)生的原因，團(tuán)隊開展了詳細(xì)的碳、氧、硫、鈾、鍶等多同位素體系分析，最終揭示這是一次由大陸風(fēng)化增強(qiáng)導(dǎo)致的硫酸輸入增加所觸發(fā)的短暫海洋氧化事件。
他們分析認(rèn)為，發(fā)生在埃迪卡拉紀(jì)早期的碳同位素負(fù)漂移事件，可能標(biāo)志著這一大型深海溶解有機(jī)碳庫解體的起始。隨后多次持續(xù)時間更長、強(qiáng)度更大的脈沖式氧化劑輸入事件，不斷消耗大洋中的溶解有機(jī)碳庫，促使其最終在寒武紀(jì)早期消亡，海洋變得更加氧化，為動物在寒武紀(jì)早期的大爆發(fā)和復(fù)雜海洋生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)創(chuàng)造了先決條件。
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