海洋化学沉积物和蚀变洋壳记录了海洋的演变历史。过去的研究发现，海洋化学沉积物的18O/16O比值随时间推移而呈增加趋势，但人们对这一规律有不同的解读：一种可能是地球早期的海洋可能要比现代更为温暖（前提是地球早期海洋的氧同位素组成与今天相似）；也有可能是地球早期水岩反应的性质与现代地球有所不同，从而导致海洋氧同位素组成的系统演变。一般而言，海底热液喷出时，高温水岩反应会使热液和海水更为富集18O同位素；而对于高出海面的大陆，低温风化作用将使海洋亏损18O同位素。这两个水岩反应过程的协同演化控制了海水δ18O随时间的演化规律。
为准确厘定地球早期古海水的O同位素成分，爱荷华州立大学副教授Johnson和Wing 构建了一种反演流体δ18O值的方法。这项技术可以通过全岩氧同位素和蚀变温度，来反演区域尺度的水岩比，进而结合整个热液系统的平均O同位素组成和蚀变温度，得到蚀变流体的δ18O值。为证实该方法是否有效，他们将其应用于三个新生代-中生代海洋热液系统，包括东太平洋海隆Hess Deep地区洋壳 (0.2 Ma), Fukazawa–Kosaka地区洋壳(14.2 Ma)和Troodos蛇绿岩Solea Graben地区洋壳 (91.6 Ma)，分别计算其蚀变海水的氧同位素成分，并与底栖有孔虫壳体Mg/Ca和δ18O指标进行对比。尽管它们各自经历了不同持续时间、不同强度的水岩相互作用，但反演得到的海水δ18O值与最近提出的中-新生代海水δ18O值基本吻合 (图1)，表明这一反演方法可以有效分辨不同时期的海水δ18O成分。
西澳Pilbara克拉通Panorama 地区的洋壳形成于3.24 Ga，近乎完整地保存了从浅部火山-沉积岩组成的古海床剖面到深成侵位的花岗岩热源的岩石序列。O 同位素研究表明，靠近古海床部分的岩石具有较高的δ18O值，而在深部则具有较低的δ18O值，类似于现今蚀变洋壳和蛇绿岩的O同位素组成。将本文所提出的方法应用于Panorama热液系统，可反演得到Panorama地区3.24 Ga时期海水δ18O值为3.3±0.1‰，比现代无冰海洋富集约4‰ (图1)。
有研究认为，3.8 Ga也可能存在富集18O的海洋 (δ18O=+0.8‰～+3.8‰，图1)，而新元古代晚期到显生宙的海水δ18O大约在-1‰左右(图1)。在更早时候，如地球早期岩浆海阶段，极高的温度（1200℃-1300℃）可能会使得原始海洋具有更高的δ18O成分 (+6‰～+8‰，图1)。那么这种海水δ18O成分长期下降的趋势该如何解释？
计算结果表明，现代氧循环速率和分馏系数可以使早期海洋的δ18O值下降到类似于现代的稳态δ18O值，但由于现代地球氧循环速度较快，平均每～40 Myr即可将一个现代海洋规模的氧元素循环完毕（∑Ki=26.1 Gyr-1，Ki代表以现代海洋质量进行标准化之后的O循环速率，可以指示10亿年内一个现代海洋规模的O循环完毕所需的时间），因而无法解释古太古代富集18O的海洋的形成。阶跃指数衰减模型可以拟合海水δ18O长期下降的趋势(图1)，但这一模型需要太古宙初期的地球总体氧循环速率是现代值的2%-4%（∑ki=0.5-1.0 Gyr-1），并在2.5 Ga增加到现代水平。考虑到已有证据支持板块构造在该时期就已启动，如此缓慢的氧循环速率可能意味着相比于现代地球，太古宙多数时期板块构造过程进行得十分缓慢。
还有另外一种可能的解释。在不改变O循环速率的前提下，这一模型要求早期太古代水循环仅以海洋氧循环为特征，在3.2 Ga后的某个阶段大陆氧同位素循环才开始启动(图1)。此外，这种模型还需要早太古代时期与洋壳高温热液蚀变相关的分馏系数 (1.4‰) 在3 Ga后演化至现代值 (4.1‰)。该模型中，海洋δ18O值从最初的7‰迅速达到约3‰的稳定状态，随着大陆风化和陆源物质循环在2.5 Ga前后开始出现，海洋δ18O也逐步降低至现代值 (-1‰) (图1)。
这两种氧同位素演化模式都指示太古宙多数时间内仅有有限的大陆形成。总之，富集18O的表层储库是使古太古代海洋δ18O演化至现代值的必要组分，这要求，在3-2.5 Ga前后，大陆开始高出海面，陆地风化作用开始进行，富粘土沉积物的地壳组分逐渐增多。这也意味着，在3-2.5 Ga以前的地球缺乏大规模出露水面的大陆，早期地球可能更像是一个水的世界。
图1 根据不同的O循环速率和不同的大陆出露时间计算得到的海水δ18O演化曲线。灰色框为不同学者对不同时期的海底玄武岩计算得到的海水δ18O，橙色点为本文计算结果，其中，4.45？Ga（橙色框）海水δ18O值基于高温下玄武质岩浆-水达到平衡和总体地球δ18O？=5.5‰的假设。插图为依据底栖有孔虫氧同位素和Mg/Ca比值估算的新生代和中生代海水δ18O成分。绿色区域表示太古宙“缓慢”的板块构造过程，依据是太古宙多数时期水循环速率仅为现代值的2%-4%，在3？Ga时才增加到现代值。虚线表示大陆水循环在太古宙早期开始启动，实线表示大陆水循环在太古宙晚期启动（Johnson and Wing, 2020）
延伸阅读
Bindeman I N, Bekker A, Zakharov D O. Oxygen isotope perspective on crustal evolution on early Earth: A record of Precambrian shales with emphasis on Paleoproterozoic glaciations and Great Oxygenation Event[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 437: 101-113.（链接）
Bindeman I N, Zakharov D O, Palandri J, et al. Rapid emergence of subaerial landmasses and onset of a modern hydrologic cycle 2.5 billion years ago[J]. Nature, 2018, 557(7706): 545-548.（链接）
Johnson B W, Wing B A. Limited Archaean continental emergence reflected in an early Archaean 18 O-enriched ocean[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(3): 243-248.（链接）
Spencer C J, Partin C A, Kirkland C L, et al. Paleoproterozoic increase in zircon δ18O driven by rapid emergence of continental crust[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 257: 16-25.（链接）
（撰稿：刘鹏，郭敬辉/岩石圈室）
