研究揭示海洋氧化為何遲滯近20億年

　　大氣氧含量與生命演化之間的因果聯系是頗受關注的科學問題之一。已有研究表明，早期地球極端缺氧，直至距今約24億年前后發生第一次大氧化事件。當時，大氣中的氧氣達到現代大氣氧含量的約1%水平以上，真核生物在地球上首次出現。而在隨后的十幾億年的時間內，大氣氧含量沒有顯著增加，一直到距今5.8-5.2億年前后發生的第二次大氧化事件，大氣中的氧含量才增加到現代大氣氧含量的約60%以上的水平，從而可能觸發了多細胞真核生物的大輻射，以及動物的快速起源和寒武紀爆發。

　　為何在第一次大氧化事件后，地球大氣和海洋的氧化程度遲滯了近20億年，直到5.8-5.2億年前后才發生急劇增加？中國科學院南京地質古生物研究所研究員朱茂炎帶領的中英合作團隊開展了多年研究。研究采用多種地球化學指標，并結合數學模型，首次系統論證了巨大海洋溶解有機碳庫（DOC）的存在是遲滯元古宙海洋徹底氧化的關鍵原因。

　　2003年，美國麻省理工學院科研人員提出解有機碳庫模型（DOC），其依據全球新元古代地層中記錄的海水碳同位素的頻繁負漂移事件，并表現無機碳（δ13Ccarb）和有機碳（δ13Corg）同位素變化之間的不耦合現象。該模型提出，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，這些微生物死亡后的有機質顆粒細小、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。由于這種以細菌為主的細小有機質顆粒易于氧化降解，大量消耗海水中氧氣，導致大洋的長期缺氧并阻止大氣氧化的增加。這種現象可將前寒武紀海洋想象成一個巨大的現代沼澤池，水體中大量腐殖有機質不斷消耗著氧氣，致使水體渾濁并缺氧。只有當這個渾濁、高度還原的溶解有機碳庫被徹底移除，大氣和海洋的氧氣含量才能夠實現實質增加。然而，這一模型遭到質疑，質疑焦點集中在新元古代地球不可能提供足夠的氧化劑來消耗/移除海洋中這一巨大的還原碳庫。

　　2019年，該合作團隊在《自然-地球科學》（Nature Geoscience）上發文提出，大規模造山運動可以導致原來海盆中形成巨量蒸發鹽礦物的風化，為海洋帶來持續性硫酸鹽（氧化劑）輸入，這些硫酸鹽通過硫酸鹽還原菌大規模消耗海水中的溶解有機碳，并通過黃鐵礦的大規模埋藏（產氧），最終致使海洋中溶解有機碳庫的減小和海洋的迅速氧化。這一假說為溶解機碳庫模型面臨的氧化劑來源這一挑戰提供了解決方案，而該假說依賴于生物地球化學模型的數值模擬，缺乏具體地質記錄和地球化學證據的直接論證。

　　本研究中，該團隊在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）中識別出一個與地質歷史上全球最大的Shuram/DOUNCE事件（陡山沱負碳同位素負偏移事件）級別相同、持續時間更短（~1.5百萬年）的碳同位素負偏移事件，相當于先前識別WANCE事件（甕安負碳同位素偏移事件）。為了厘清這一負漂移事件發生的原因，科研人員開展了詳細的碳、氧、硫、鈾、鍶等多同位素體系分析，論證了這次碳同位素負漂移事件記錄的是一次由大陸風化增強引致的硫酸鹽輸入增加所觸發的短暫海洋氧化事件。

　　大陸風化增強（鍶同位素比值87Sr/86Sr增加）所帶來的海水硫酸鹽含量增加（黃鐵礦和碳酸鹽中硫同位素差值Δδ34SCAS-pyr>～35‰），使深海溶解有機碳（DOC）被迅速消耗，海洋開始氧化（鈾同位素δ238U值增加），大量13C虧損的有機碳被氧化并釋放到海水中，導致同期海水碳酸鹽的碳同位素δ13C值急劇下降（最低點 ~-10‰）。隨著風化作用減弱（87Sr/86Sr下降），氧化劑被耗盡（Δδ34SCAS-pyr值下降），海洋迅速恢復到缺氧狀態（δ238U值下降），同時δ13C恢復到正值（圖1）。

　　這一地球化學數據揭示的過程與利用生物地球化學模型的數值模擬結果吻合。WANCE事件發生這一過程與隨后發生的Shuram/DOUNCE異常一致（圖2），支持了該團隊2019年提出的假說，即造山運動引起大量氧化劑輸入增加是致使埃迪卡拉紀海洋氧化和極端碳同位素負偏移事件的主要驅動因素，這種海洋氧化還原狀態和氧化劑供應之間的動態平衡符合Rothman的溶解有機碳庫模型；為溶解有機碳庫的存在是遲滯前寒武紀海洋徹底氧化的關鍵原因提供了直接證據。

　　發生在埃迪卡拉紀早期的WANCE事件，可能標志著這一大型深海溶解有機碳庫解體的肇始。隨后多次持續時間更長、強度更大的脈沖式氧化劑輸入事件，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（寒武紀生命大爆發）和復雜海洋生態系統的出現創造了先決條件（圖2）。

　　相關研究成果發表《地球與行星科學通訊》（Earth and Planetary Science Letters）上。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）和國家自然科學基金的資助。

　　論文鏈接

圖1.湖北宜昌南沱村埃迪卡拉紀陡山沱組剖面的碳、硫、鈾、鍶同位素變化

圖2.埃迪卡拉紀重要的生物革新事件、海洋氧化還原狀態以及鈾/鍶/碳同位素記錄