氧氣是生命之源。早期地球的氧氣含量極低。直到24億年前,地球上才發(fā)生了第一次大氧化事件,氧含量達(dá)到了現(xiàn)在水平的1%以上,導(dǎo)致地球上第一次出現(xiàn)了真核生物。第二次大氧化事件發(fā)生在5.8億年至5.2億年前,當(dāng)時大氣中的氧含量增加到現(xiàn)代大氣中氧含量的60%以上,從而引發(fā)了動物的快速起源和寒武紀(jì)大爆發(fā)。
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阿里云11.11云嘉年華活動廳
圖1 南沱村剖面碳、硫、鈾、鍶同位素變化
圖2 埃迪卡拉紀(jì)重要生物創(chuàng)新事件、海洋氧化還原狀況及鈾、鍶、碳同位素記錄
為什么在第一次大氧化事件之后,地球大氣和海洋的氧化水平花了近20億年才急劇增加?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)隊利用多種地球化學(xué)指標(biāo)并結(jié)合數(shù)學(xué)模型,首次系統(tǒng)論證了巨大的海洋溶解有機(jī)碳庫是晚元古代海洋完全氧化的關(guān)鍵原因。近日,該成果發(fā)表在《地球科學(xué)雜志》《地球與行星科學(xué)通訊》上。
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,在前寒武紀(jì)洋面真光帶進(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)物顆粒較小,沉降速度較慢。它不斷積累,形成巨大的海洋溶解有機(jī)碳庫,比現(xiàn)代海洋溶解有機(jī)碳庫大1000倍以上。由于這些以細(xì)菌為主的有機(jī)物小顆粒很容易被氧化降解,大量消耗海水中的氧氣,導(dǎo)致海洋長期缺氧,阻礙了大氣氧化的加劇。這就像前寒武紀(jì)海洋是一個巨大的沼澤池。水體中大量的腐殖質(zhì)有機(jī)物不斷消耗氧氣,造成水體混濁、缺氧。只有當(dāng)這些有機(jī)碳被完全清除后,大氣和海洋中的氧氣含量才能大幅增加。但這個模型后來受到質(zhì)疑,反對者認(rèn)為古代地球無法提供足夠的氧化劑來消除海洋中巨大的碳庫。
2019年,朱茂炎帶領(lǐng)中英團(tuán)隊發(fā)表論文《自然·地球科學(xué)》,提出大規(guī)模造山運(yùn)動導(dǎo)致大洋盆地形成的大量蒸發(fā)礦物風(fēng)化,可帶來大量硫酸鹽(氧化劑)。 ),可以通過硫酸鹽還原菌大規(guī)模消耗海水中溶解的有機(jī)碳,并通過大規(guī)模埋藏黃鐵礦(產(chǎn)氧),最終導(dǎo)致碳庫減少和海洋快速氧化。
為了支持這一假說,研究團(tuán)隊在我國三峽地區(qū)南沱村段埃迪卡拉系陡山沱組(距今約6億年前)發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)史上最大但持續(xù)時間較短的負(fù)碳同位素。漂移事件。為了弄清這一負(fù)漂移事件的原因,研究小組對碳、氧、硫、鈾、鍶等元素進(jìn)行了詳細(xì)的多同位素系統(tǒng)分析,最終揭示這是一次由硫酸增加引發(fā)的短暫事件。大陸風(fēng)化增強(qiáng)引起的酸輸入。海洋氧化事件。
他們的分析表明,埃迪卡拉紀(jì)早期發(fā)生的負(fù)碳同位素漂移事件可能標(biāo)志著這個大型深海溶解有機(jī)碳儲層解體的開始。隨后,持續(xù)時間更長、強(qiáng)度更大的多次脈沖型氧化劑輸入事件繼續(xù)消耗海洋中溶解的有機(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,為寒武紀(jì)的動物提供了環(huán)境。早期的爆炸和復(fù)雜海洋生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)創(chuàng)造了先決條件。