有机碳|地球化学证据揭示海洋氧化为何迟滞20亿年

◎采访人员张晔
氧气是生命之源。早期地球氧气含量极低，直到24亿年前，地球发生第一次大氧化事件，含氧量达现在的1%以上，导致真核生物在地球上首次出现。而第二次大氧化事件则是在5.8亿—5.2亿年前，大气中的氧含量才增加到现代大气氧含量的60%以上，从而触发了动物的快速起源以及寒武纪大爆发等。
为什么在第一次大氧化事件之后，地球大气和海洋的氧化程度迟滞了近20亿年才急剧增加呢？中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员领导的中英合作团队，采用多种地球化学指标并结合数学模型，首次系统论证了巨大海洋溶解有机碳库的存在是迟滞元古宙海洋彻底氧化的关键原因。近日，该成果在地球科学期刊《地球与行星科学通讯》上发表。
溶解有机碳库模型最早由美国学者提出，该模型认为，前寒武纪海洋表层透光带内进行光合作用的微生物主要是原核生物，这些微生物死亡后的有机质颗粒细小、沉降速率慢，在海水中不断积累形成一个巨大海洋溶解有机碳库，超过现代大洋溶解有机碳库1000倍以上。由于这种以细菌为主的细小有机质颗粒易于氧化降解，大量消耗海水中氧气，从而导致了大洋的长期缺氧并阻止了大气氧化的增加。这就好比前寒武纪海洋是一个巨大的沼泽池，水体中大量腐殖有机质不断消耗着氧气，导致水体浑浊并缺氧。只有当这个有机碳库被彻底移除，大气和海洋的氧气含量才能够实质增加。但这一模型随后遭到质疑，反对者认为古代地球不可能提供足够的氧化剂来移除海洋中巨大的碳库。
2019年，朱茂炎带领中英团队在《自然·地球科学》上发文提出，大规模造山运动导致海盆中形成的巨量蒸发盐矿物的风化，可以带来大量的硫酸盐（氧化剂），它们通过硫酸盐还原菌大规模消耗海水中的溶解有机碳，并通过黄铁矿的大规模埋藏（产氧），最终导致碳库的减小和海洋的迅速氧化。
为了支持该假说，团队此次在我国三峡地区南坨村剖面埃迪卡拉纪陡山沱组地层（约6亿年之前）中，发现一个地质历史上最大、但持续时间很短的碳同位素负漂移事件。为了弄清这一负漂移事件发生的原因，团队开展了详细的碳、氧、硫、铀、锶等多同位素体系分析，最终揭示这是一次由大陆风化增强导致的硫酸输入增加所触发的短暂海洋氧化事件。
【有机碳|地球化学证据揭示海洋氧化为何迟滞20亿年】他们分析认为，发生在埃迪卡拉纪早期的碳同位素负漂移事件，可能标志着这一大型深海溶解有机碳库解体的起始。随后多次持续时间更长、强度更大的脉冲式氧化剂输入事件，不断消耗大洋中的溶解有机碳库，促使其最终在寒武纪早期消亡，海洋变得更加氧化，为动物在寒武纪早期的大爆发和复杂海洋生态系统的出现创造了先决条件。