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【前沿報道】Nature Communications: 全球構造引發埃迪卡拉紀氧化事件
2019-09-30 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  地球歷史上的大氣氧含量經歷兩次快速增氧事件才基本達到現今的水平,其中第二次大氧化事件(NOE)發生在埃迪卡拉紀-寒武紀早期,致使寒武紀復雜生物多樣性出現。新元古代地球大氣和海洋氧化過程一直以來是地學研究的前沿熱點。 

  古老沉積巖中保存的生物地球化學特征表明,新元古代晚期-早古生代時期存在氧化事件(NOE),當時的氧氣濃度可能積累到了足以維持生物生命和深海氧化所需的水平(Lyons et al., 2014)。如MoVRe的富集和δ82Se/76Se的降低均表明海洋環境趨于氧化,Ce異常則表明551 Ma之后至少淺海是氧化環境(圖1。大量的地球化學數據表明,在埃迪卡拉紀和早-中寒武世存在一系列短暫但頻繁的氧化事件(圖1c),然而,大氣氧含量變化的時間和幅度仍不確定。 

1  埃迪卡拉紀氧化事件的大地構造和地球化學證據。a.二氧化碳輸入速率的變化(由全球俯沖帶總長度表示)。同時顯示了年輕鋯石的累積比例的變化(紅色三角形),年輕鋯石指示大陸弧環境。bc. 新元古代海洋氧化還原指標匯編:b. 海洋頁巖中硒同位素比值 δ82/76Se, 紅色三角形)的變化指示全球海洋不斷氧化的趨勢,海洋膠結物中明顯的鈰負異常(Ceanom,藍色圓點)指示同樣的氧化趨勢。c. 黑色頁巖氧化還原敏感元素 RSEMoUReVCr;紅色)富集數據指示海洋廣泛氧化的階段。下方的鐵組分指標指示了不同深度海洋水體氧化-還原狀態。上述指標指示了成冰紀-埃迪卡拉紀一系列短暫的氧化事件(Williams et al., 2019    

  對于新元古代的氧化作用的受控因素,有多種假說。一種解釋認為,雪球地球事件之后,營養物質進入了海洋,提高了初級生產和有機質的埋藏,進而釋放氧氣到大氣。問題是這只會暫時性的增加氧氣含量,一旦營養物質的供給中斷,大氣氧就會恢復到曾經的水平。也有學者認為,通過早期陸地生態系統對磷的選擇性風化和富含磷的大火成巖省,陸地的化學風化作用進一步擴大且持續增加,從而增加了大氣氧濃度。還有假說認為,早期陸地生物圈的擴張可能限制了地殼巖石的氧化風化作用,減少了氧氣的吸收。這些機制雖然能夠解釋大氣中的氧氣濃度的增加,但是科學家并沒有觀察到預測應當出現的碳酸鹽巖平均碳同位素比值(δ13C)的升高。 

  針對上述問題,英國埃克塞特大學全球系統研究所和愛丁堡大學地球科學學院的Joshua J. Williams等科學家提出另一種氧化機制,同時,他們運用生物地球化學模型方法模擬出該時期大氣氧含量。根據年輕鋯石比例的增加和大陸火山弧范圍變化,他們發現新元古代和古生代之間的構造去氣(CO2)的速率顯著高于相鄰時期。基于這一觀察,他們提出新的氧化機制:新元古代晚期,板塊構造的變化導致大氣氧含量的升高。他們修改了Lenton et al.2018)提出的COPSE Reloaded生物地球化學模型,首次將其應用到埃迪卡拉紀,并通過這一模型來估算板塊構造活動導致的CO2增加對大氣中氧氣濃度的影響(圖2)。模擬計算表明,構造去氣的顯著增加會導致地球系統中總碳和總硫量的升高,進而增加有機碳和黃鐵礦硫的埋藏率,最終導致大氣中氧氣的含量不斷累計升高。模擬結果還顯示,埃迪卡拉紀(635-541 Ma)大氣氧含量增加了約50%,達到現今大氣氧氣水平的1/4,在大氧化事件晚期甚至達到30%水平。相關預測符合寒武紀生命大爆發期間大型、移動和掠食性動物的需氧量,即大于現今大氣氧氣水平的10%-25% 

  該文給出了埃迪卡拉紀大氧化事件的第一個定量預測結果,該預測結果與現有的地球化學觀測數據一致。 

   

2  通過運行COPSE模型輸出的氧、碳循環和鍶同位素數值。深、淺藍色陰影區域分別對應相對誤差±0.5±1標準偏差。紫色為地質數據。a. 碳埋藏率;b. 二氧化碳 (PAL) c. 氧氣 (PAL)d. 有機碳埋藏分數;e. 碳酸鹽碳同位素比值;f. 鍶同位素比值(Williams et al., 2019

    

  主要參考文獻 

  Lenton T M, Daines S J, Mills B J W. COPSE reloaded: an improved model of biogeochemical cycling over Phanerozoic time[J]. Earth-Science Reviews, 2018, 178: 1-28. 鏈接 

  Lyons T W, Reinhard C T, Planavsky N J. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere[J]. Nature, 2014, 506(7488): 307. 鏈接 

  McKenzie N R, Horton B K, Loomis S E, et al. Continental arc volcanism as the principal driver of icehouse-greenhouse variability[J]. Science, 2016, 352(6284): 444-447. 鏈接 

  Och L M, Shields-Zhou G A. The Neoproterozoic oxygenation event: environmental perturbations and biogeochemical cycling[J]. Earth-Science Reviews, 2012, 110(1-4): 26-57.鏈接 

  Williams J J, Mills B J W, Lenton T M. A tectonically driven Ediacaran oxygenation event[J]. Nature Communications, 2019, 10: 2690.鏈接     

  (撰稿:張志越/巖石圈室)

  (修訂:彭澎,馮連君/巖石圈室)

 
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