地球化學證據揭示海洋氧化為何遲滯20億年

◎本報記者 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，地球發生第一次大氧化事件，含氧量達現在的1%以上，導致真核生物在地球上首次出現。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代大氣氧含量的60%以上，從而觸發了動物的快速起源以及寒武紀大爆發等。

為什麼在第一次大氧化事件之後，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？中國科學院南京地質古生物研究所朱茂炎研究員領導的中英合作團隊，採用多種地球化學指標並結合數學模型，首次系統論證了巨大海洋溶解有機碳庫的存在是遲滯元古宙海洋徹底氧化的關鍵原因。近日，該成果在地球科學期刊《地球與行星科學通訊》上發表。

溶解有機碳庫模型最早由美國學者提出，該模型認為，前寒武紀海洋表層透光帶內進行光合作用的微生物主要是原核生物，這些微生物死亡後的有機質顆粒細小、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碳庫，超過現代大洋溶解有機碳庫1000倍以上。由於這種以細菌為主的細小有機質顆粒易於氧化降解，大量消耗海水中氧氣，從而導致了大洋的長期缺氧並阻止了大氣氧化的增加。這就好比前寒武紀海洋是一個巨大的沼澤池，水體中大量腐殖有機質不斷消耗着氧氣，導致水體渾濁並缺氧。只有當這個有機碳庫被徹底移除，大氣和海洋的氧氣含量才能夠實質增加。但這一模型隨後遭到質疑，反對者認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，朱茂炎帶領中英團隊在《自然·地球科學》上發文提出，大規模造山運動導致海盆中形成的巨量蒸發鹽礦物的風化，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模消耗海水中的溶解有機碳，並通過黃鐵礦的大規模埋藏（產氧），最終導致碳庫的減小和海洋的迅速氧化。

為了支持該假説，團隊此次在我國三峽地區南坨村剖面埃迪卡拉紀陡山沱組地層（約6億年之前）中，發現一個地質歷史上最大、但持續時間很短的碳同位素負漂移事件。為了弄清這一負漂移事件發生的原因，團隊開展了詳細的碳、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化增強導致的硫酸輸入增加所觸發的短暫海洋氧化事件。

他們分析認為，發生在埃迪卡拉紀早期的碳同位素負漂移事件，可能標誌着這一大型深海溶解有機碳庫解體的起始。隨後多次持續時間更長、強度更大的脈衝式氧化劑輸入事件，不斷消耗大洋中的溶解有機碳庫，促使其最終在寒武紀早期消亡，海洋變得更加氧化，為動物在寒武紀早期的大爆發和複雜海洋生態系統的出現創造了先決條件。