揭秘地球早期缺氧海洋如何被氧化
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時(shí)間：2025-11-25 20:05:55
蒸發(fā)巖風(fēng)化與海洋有機(jī)碳庫(kù)氧化的正反饋模型圖
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所：已有研究表明，早期地球是地球極端缺氧的。為什么地球早期大氣和海洋的早期貴州哪里能找到小姐上門(mén)服務(wù)崴信159-8298-6630提供外圍女小姐上門(mén)服務(wù)快速安排面到付款氧氣含量長(zhǎng)期保持在低水平，在5.8—5.2億年前后卻發(fā)生了快速增加呢？缺氧9月2日，中英兩國(guó)科學(xué)家在《自然-地球科學(xué)》（Nature Geoscience）發(fā)表論文，海洋何被認(rèn)為大規(guī)模造山運(yùn)動(dòng)將大量蒸發(fā)巖輸入海洋，氧化蒸發(fā)巖作為大洋的揭秘氧化劑，使得寒武紀(jì)大爆發(fā)之前普遍缺氧的地球深部大洋得以氧化，從而導(dǎo)致大氣和海洋中氧氣含量快速增加，早期為地球大型復(fù)雜多細(xì)胞生命的缺氧快速演化奠定了基本條件。
不久前的海洋何被2019年5月6日，由中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究員和英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院Graham Shields教授領(lǐng)銜的氧化中英國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)在《自然-地球科學(xué)》上發(fā)表論文，證明動(dòng)物在大約5.2億年前后階段性的揭秘快速輻射演化（寒武紀(jì)大爆發(fā)）受到大氣和海洋中氧氣含量的控制。但是地球，這一研究并沒(méi)有回答大氣和海洋中氧氣含量的早期變化又受到什么控制的問(wèn)題。
地球歷史上曾發(fā)生過(guò)2次大氣快速增氧事件，貴州哪里能找到小姐上門(mén)服務(wù)崴信159-8298-6630提供外圍女小姐上門(mén)服務(wù)快速安排面到付款大氣中的氧氣才基本達(dá)到現(xiàn)代水平。第一次大氧化事件發(fā)生在距今大約24億年前后，大氣中的氧氣達(dá)到了現(xiàn)代大氣氧含量的1%水平，導(dǎo)致真核生物在地球上首次出現(xiàn)。但隨后長(zhǎng)達(dá)十幾億年的時(shí)間內(nèi)大氣氧含量并沒(méi)有增加，甚至還低于第一次大氧化事件時(shí)期的水平，從而阻礙了多細(xì)胞真核生物的演化。直到距今5.8—5.2億年前后，地球發(fā)生第二次大氧化事件，大氣中的氧含量增加到現(xiàn)代大氣氧含量的60%以上的水平，大洋也全部氧化，導(dǎo)致多細(xì)胞真核生物大輻射，以及動(dòng)物的快速起源和寒武紀(jì)大爆發(fā)。
對(duì)于前寒武紀(jì)海洋中的氧含量為什么長(zhǎng)期很低的問(wèn)題，目前學(xué)界有一個(gè)理論模型，即“有機(jī)碳庫(kù)模型”。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)易于氧化降解，在海水中不斷積累，大量消耗海水中氧氣，從而導(dǎo)致了海水的缺氧。也就是說(shuō)前寒武紀(jì)海洋中存在一個(gè)巨大有機(jī)碳庫(kù)，阻止了海洋和大氣中氧含量的增加。前寒武紀(jì)這種缺氧的海洋就像一個(gè)現(xiàn)代的巨大沼澤池，水體中大量腐殖有機(jī)質(zhì)不斷消耗著氧氣，因而水體渾濁并缺氧。只有當(dāng)這個(gè)渾濁并缺氧海洋得到氧化，大氣和海洋的氧氣含量才能夠增加。
但是，渾濁缺氧的前寒武紀(jì)海洋是如何變得清澈富含氧氣的呢？目前流行的假說(shuō)是“生物與環(huán)境協(xié)同演化模型”。這個(gè)模型認(rèn)為當(dāng)海水中氧氣含量達(dá)到原始動(dòng)物生存的最低需求時(shí)，如海綿動(dòng)物一旦出現(xiàn)，就通過(guò)捕食海水懸浮有機(jī)質(zhì)，加速了海水有機(jī)質(zhì)的消耗和埋藏，減少了海水中氧氣的消耗，最終導(dǎo)致了海洋和大氣中氧氣的增加。隨著氧氣含量的增加，微型浮游動(dòng)物和復(fù)雜動(dòng)物的出現(xiàn)形成復(fù)雜的食物網(wǎng)，大量消耗海水中有機(jī)質(zhì)，并通過(guò)動(dòng)物大顆粒排泄物和尸體的形式進(jìn)入沉積物，大大提高了有機(jī)物埋藏的效率，形成了動(dòng)物演化與氧氣增加的正反饋機(jī)制。這種正反饋機(jī)制最終將表現(xiàn)為氧氣增加的線性加速，而這與5.8—5.2億年前后大氣和海洋氧氣含量多次大規(guī)模波動(dòng)，生物發(fā)生階段性輻射演化的實(shí)際情況卻是不一致的。
本次研究中，朱茂炎等中英合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析9億年以來(lái)全球海水碳酸鹽的碳同位素（δ13C）演變過(guò)程發(fā)現(xiàn)，前寒武紀(jì)海洋中的有機(jī)碳庫(kù)在5.7億年之后明顯減少，表明這個(gè)時(shí)期深部海洋已經(jīng)開(kāi)始氧化。直接的證據(jù)是，在9-5.4億間的前寒武紀(jì)晚期，海水中的碳同位素（δ13C）值出現(xiàn)多次巨大的負(fù)異常變化，這種現(xiàn)象在寒武紀(jì)大爆發(fā)之后徹底消失（圖1）。其中，發(fā)生在5.7億年前的一次碳同位素（δ13C）負(fù)異常事件是地球歷史上規(guī)模最大的一次。
該研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)新的地球系統(tǒng)模型解釋了這一現(xiàn)象。他們認(rèn)為，5.7億年前后地球上的主要大陸通過(guò)拼合形成了一個(gè)岡瓦納超大陸和位于超大陸內(nèi)部的超級(jí)中央造山帶，將8億年前后大量沉積的蒸發(fā)巖礦物風(fēng)化剝蝕輸入海洋。富含硫酸鹽的蒸發(fā)巖是一種氧化劑，可以通過(guò)硫酸鹽還原菌對(duì)海水中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行氧化，形成黃鐵礦埋藏在沉積物中，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)海洋中有機(jī)碳庫(kù)快速減少。同時(shí)，海洋中有機(jī)碳的快速氧化，向大氣排放大量CO2，進(jìn)一步導(dǎo)致大氣升溫，加強(qiáng)了陸地風(fēng)化作用和蒸發(fā)巖向海洋的輸入量，海洋中有機(jī)碳庫(kù)進(jìn)一步被氧化，形成一個(gè)海洋氧化的正反饋?zhàn)饔脵C(jī)制，使得大氣和海洋中的氧氣快速增加。有機(jī)質(zhì)氧化后向海水釋放碳同位素偏輕的無(wú)機(jī)碳，結(jié)果海水中的碳同位素（δ13C）值變得越來(lái)越輕（圖2）。該模型得到岡瓦納大陸形成之前的大量蒸發(fā)巖沉積記錄的支持。通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，海洋有機(jī)碳庫(kù)氧化需要的蒸發(fā)巖向海洋的輸入通量與新生代青藏高原隆起后蒸發(fā)巖輸入海洋的通量相當(dāng)，支持了新模型的合理性。
這個(gè)新的模型與該時(shí)期生物的階段輻射演化模型更加契合。跟傳統(tǒng)的生物與環(huán)境協(xié)同演化模型不同，新模型強(qiáng)調(diào)了地球內(nèi)部過(guò)程引起的巖石圈的運(yùn)動(dòng)是地球表層系統(tǒng)發(fā)生革命性改變的原始驅(qū)動(dòng)力。新模型不僅驗(yàn)證了前寒武紀(jì)海洋中巨大有機(jī)碳庫(kù)存在的假說(shuō)，還為海洋中巨大有機(jī)碳庫(kù)的變化控制著前寒武紀(jì)末期地球多次大規(guī)模冰期發(fā)生的假說(shuō)提供了支撐。因?yàn)楹Ｑ笾芯薮笥袡C(jī)碳庫(kù)如果不被氧化，大氣中的CO2就會(huì)不斷降低，氣候就會(huì)變得越來(lái)越冷。而構(gòu)造驅(qū)動(dòng)的海洋有機(jī)碳庫(kù)的氧化，向大氣中排放大量CO2，氣候就變得越來(lái)越暖。正是由于海洋的氧化，海洋中有機(jī)碳庫(kù)變小，它作為氣候的調(diào)節(jié)器作用也就減弱，寒武紀(jì)之后的地球再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)類(lèi)似前寒武紀(jì)的“雪球地球”那樣的極端冰期氣候事件。
該研究得到國(guó)家自然基金（NSFC）與英國(guó)環(huán)境研究理事會(huì)（NERC）共同資助的中英國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目（41661134048）和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)（B）項(xiàng)目（XDB18000000，XDB26000000）的資助。
論文信息：Shields, G. A.*, Mills, B. J. W. *, Zhu, M.*, Raub, T. D., Daines, S., Lenton, T. M., 2019. Unique Neoproterozoic carbon isotope excursions sustained by coupled evaporite dissolution and pyrite burial. Nature Geoscience, https://doi.org/10.1038/s41561-019-0434-3
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距今5.8—5.2億年前后，地球發(fā)生大氧化事件，大氣中的氧含量增加到現(xiàn)代大氣氧含量的60%以上的水平，大洋也全部氧化，導(dǎo)致多細(xì)胞真核生物大輻射，以及動(dòng)物的快速起源和寒武紀(jì)大爆發(fā)。渾濁缺氧的前寒武紀(jì)海洋是如何變得清澈富含氧氣的呢？
參與此項(xiàng)研究的中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員朱茂炎介紹，團(tuán)隊(duì)分析9億年以來(lái)全球海水碳酸鹽的碳同位素演變過(guò)程，認(rèn)為5.7億年前后，地球上的主要大陸通過(guò)拼合形成了一個(gè)岡瓦納超大陸和位于超大陸內(nèi)部的超級(jí)中央造山帶，將8億年前后大量沉積的蒸發(fā)巖礦物風(fēng)化剝蝕輸入海洋。富含硫酸鹽的蒸發(fā)巖是一種氧化劑，可以通過(guò)硫酸鹽還原菌對(duì)海水中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行氧化，形成黃鐵礦埋藏在沉積物中，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)海洋中有機(jī)碳庫(kù)快速減少。同時(shí)，海洋中有機(jī)碳的快速氧化，向大氣排放大量CO2，進(jìn)一步導(dǎo)致大氣升溫，加強(qiáng)了陸地風(fēng)化作用和蒸發(fā)巖向海洋的輸入量，海洋中有機(jī)碳庫(kù)進(jìn)一步被氧化，使得大氣和海洋中的氧氣快速增加。
據(jù)介紹，新模型不僅驗(yàn)證了前寒武紀(jì)海洋中巨大有機(jī)碳庫(kù)存在的假說(shuō)，還為海洋中巨大有機(jī)碳庫(kù)的變化控制著前寒武紀(jì)末期地球多次大規(guī)模冰期發(fā)生的假說(shuō)提供了支撐。正是由于海洋的氧化，海洋中有機(jī)碳庫(kù)變小，它作為氣候的調(diào)節(jié)器作用也就減弱，寒武紀(jì)之后的地球再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)類(lèi)似前寒武紀(jì)的“雪球地球”那樣的極端冰期氣候事件。
