地球历史上的大气氧含量经历两次快速增氧事件才基本达到现今的水平，其中第二次大氧化事件（NOE）发生在埃迪卡拉纪-寒武纪早期，致使寒武纪复杂生物多样性出现。新元古代地球大气和海洋氧化过程一直以来是地学研究的前沿热点。
古老沉积岩中保存的生物地球化学特征表明，新元古代晚期-早古生代时期存在氧化事件（NOE），当时的氧气浓度可能积累到了足以维持生物生命和深海氧化所需的水平（Lyons et al., 2014）。如Mo、V、Re的富集和δ82Se/76Se的降低均表明海洋环境趋于氧化，Ce异常则表明551 Ma之后至少浅海是氧化环境（图1）。大量的地球化学数据表明，在埃迪卡拉纪和早-中寒武世存在一系列短暂但频繁的氧化事件（图1c），然而，大气氧含量变化的时间和幅度仍不确定。
图1 埃迪卡拉纪氧化事件的大地构造和地球化学证据。a．二氧化碳输入速率的变化（由全球俯冲带总长度表示）。同时显示了年轻锆石的累积比例的变化（红色三角形），年轻锆石指示大陆弧环境。b、c. 新元古代海洋氧化还原指标汇编：b. 海洋页岩中硒同位素比值 （δ82/76Se, 红色三角形）的变化指示全球海洋不断氧化的趋势，海洋胶结物中明显的铈负异常（Ceanom,蓝色圆点）指示同样的氧化趋势。c. 黑色页岩氧化还原敏感元素 （RSE、Mo、U、Re、V、Cr；红色）富集数据指示海洋广泛氧化的阶段。下方的铁组分指标指示了不同深度海洋水体氧化-还原状态。上述指标指示了成冰纪-埃迪卡拉纪一系列短暂的氧化事件（Williams et al., 2019）
对于新元古代的氧化作用的受控因素，有多种假说。一种解释认为，雪球地球事件之后，营养物质进入了海洋，提高了初级生产和有机质的埋藏，进而释放氧气到大气。问题是这只会暂时性的增加氧气含量，一旦营养物质的供给中断，大气氧就会恢复到曾经的水平。也有学者认为，通过早期陆地生态系统对磷的选择性风化和富含磷的大火成岩省，陆地的化学风化作用进一步扩大且持续增加，从而增加了大气氧浓度。还有假说认为，早期陆地生物圈的扩张可能限制了地壳岩石的氧化风化作用，减少了氧气的吸收。这些机制虽然能够解释大气中的氧气浓度的增加，但是科学家并没有观察到预测应当出现的碳酸盐岩平均碳同位素比值（δ13C）的升高。
针对上述问题，英国埃克塞特大学全球系统研究所和爱丁堡大学地球科学学院的Joshua J. Williams等科学家提出另一种氧化机制，同时，他们运用生物地球化学模型方法模拟出该时期大气氧含量。根据年轻锆石比例的增加和大陆火山弧范围变化，他们发现新元古代和古生代之间的构造去气（CO2）的速率显著高于相邻时期。基于这一观察，他们提出新的氧化机制：新元古代晚期，板块构造的变化导致大气氧含量的升高。他们修改了Lenton et al.（2018）提出的COPSE Reloaded生物地球化学模型，首次将其应用到埃迪卡拉纪，并通过这一模型来估算板块构造活动导致的CO2增加对大气中氧气浓度的影响（图2）。模拟计算表明，构造去气的显著增加会导致地球系统中总碳和总硫量的升高，进而增加有机碳和黄铁矿硫的埋藏率，最终导致大气中氧气的含量不断累计升高。模拟结果还显示，埃迪卡拉纪（635-541 Ma）大气氧含量增加了约50％，达到现今大气氧气水平的1/4，在大氧化事件晚期甚至达到30%水平。相关预测符合寒武纪生命大爆发期间大型、移动和掠食性动物的需氧量，即大于现今大气氧气水平的10%-25%。
该文给出了埃迪卡拉纪大氧化事件的第一个定量预测结果，该预测结果与现有的地球化学观测数据一致。
图2 通过运行COPSE模型输出的氧、碳循环和锶同位素数值。深、浅蓝色阴影区域分别对应相对误差±0.5和±1标准偏差。紫色为地质数据。a. 碳埋藏率；b. 二氧化碳 (PAL)； c. 氧气 (PAL)；d. 有机碳埋藏分数；e. 碳酸盐碳同位素比值；f. 锶同位素比值（Williams et al., 2019）
主要参考文献
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. （链接）
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. （链接）
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. （链接）
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.（链接）
Williams J J, Mills B J W, Lenton T M. A tectonically driven Ediacaran oxygenation event[J]. Nature Communications, 2019, 10: 2690.（链接）
（撰稿：张志越/岩石圈室）
（修订：彭澎，冯连君/岩石圈室）
