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【前沿报道】PNAS:18亿年前地球大气含氧量低
2018-08-30 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  目前地球大气含氧量约为21%(体积比),但如何才能知道地球历史时期的大气含氧量以及它的演化过程?要回答这个问题,最简单和直接的方法当然是直接获取过去的大气样本,但过去的大气样本难以保存,基本限制了我们通过直接测试的方法来重建过去。不过,还可以借助间接方法,例如在地表化学风化过程中,氧气的参与会导致陆地表面元素铁(Fe)、锰(Mn)发生迁移,通过对古土壤中FeMn的迁移行为进行分析,就可以反演历史大气含氧量(Zbinden et al., 1988)。 

  美国耶鲁大学学者Bellefroid et al.2018)近期PNAS发表了最新成果,他们试图通过另外一种间接的地球化学方法——碳酸盐岩中铈元素的异常,来重建过去大气的含氧量。镧系元素铈(Ce)能够发挥作用主要是基于两方面的认识:(1)大气中含氧量的高低会直接导致海水中溶解氧的变化;(2)相对于相邻的镧系元素(LaPrNd),海洋水体中含氧量的多少对于Ce的富集和亏损影响最为明显,氧气会将水体中溶解的三价Ce氧化为四价Ce,并附着在颗粒物上沉积。海水中的这些化学行为可以被完整地记录在碳酸盐岩中(Wallace et al., 2017;图1)。

现代海洋和地质历史时期碳酸盐岩的镧系元素的分布图解(Wallace et al., 2017     

  Bellefroid et al.2018)选取加拿大西北地区18.7亿年前沉积的碳酸盐岩记录——Pethei群作为研究对象。通过对其Ce亏损富集行为的分析,能够大致确定当时只有浅海地区存在溶解氧气,而深水(>100米)区是没有氧气的,这与现代海洋是完全不同的景象。由此,论文定性地推论,大气含氧量较低是深水区缺氧的直接原因。为了做定量评估,论文基于现代海洋学研究,建立了海洋Ce的氧化模型。结果表明,尽管在早元古代“大氧化事件”时期(约24亿-21亿年前),地球大气含氧量可能一度达到目前水平,但在18.7亿年前却降低到仅约目前大气水平的0.1%,低于LCA(最近共同祖先,last common ancestor)所需要的最低含氧量(现代大气的0.13%)(图 2)。同时,将元素Ce分析数据库进一步扩展,可以看到这种低含氧量大气可能维持了十亿年之久(图 2),成为影响最早复杂生物生态系统形成和早期动物演化的关键因素。另外,实验结果证实大气含氧量在6.35亿年前明显提高(图2)。

图2  基于碳酸盐岩的Ce异常重构的元古代大气含氧量演化(Bellefroid et al. 2018     

  碳酸盐岩是地球历史时期分布最为连续和广泛的沉积记录,如果这种方法能够有效重构大气含氧量,将为地球大气的氧气演化绘制一个更加清晰的图景。 

  相关参考文献

  Bellefroid E J, Hood A S, Hoffman P F, et al. Constraints on Paleoproterozoic atmospheric oxygen levels[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018: 201806216.原文链接    

  Wallace M W, Shuster A, Greig A, et al. Oxygenation history of the Neoproterozoic to early Phanerozoic and the rise of land plants[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2017, 466: 12-19.原文链接    

  Zbinden E A, Holland H D, Feakes C R, et al. The Sturgeon Falls paleosol and the composition of the atmosphere 1.1 Ga BP[J]. Precambrian Research, 1988, 42(1-2): 141-163.原文链接

  (撰稿:冯连君

 
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