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NC:地幔數據顯示可氧化的火山氣體的減少可能觸發了大氧化事件
2020-08-17 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  包括人類在內的需氧生物之所以能在地球上繁盛興旺,主要得益于大氣中大量O2的存在,但在地球整個歷史的大部分時間內O2含量水平并不高。地質記錄中的硫同位素非質量分餾特征表明大氣中的O2含量在2.4~2.1 Ga大氧化事件期間快速升高,但對氧化還原作用敏感的鐵、鉬等元素的同位素數據卻顯示在3.2~3.0 Ga時海洋透光層中就已經存在O2,這意味著能夠產生O2的藍藻的出現時間遠早于大氧化事件。地質學上的數據也指出在新太古代海洋和湖泊中存在甲烷營養(厭氧菌以甲烷為營養物質,并將其氧化為CO2)和氧化氮的循環,以及硫化物和氨基鹽分別被氧化成為硫酸鹽和硝酸鹽過程。這與光合作用開始于中太古代的推論是吻合的。目前,人們對早期大氣中氧氣積累的具體過程以及為何大氣氧化事件滯后于光合作用開始時間仍知之甚少。 

  早些時候,Kump and Barley2007)曾認為從太古代到古元古代火山活動類型由海底噴發轉換為陸上噴發,此過程中還原性氣體排放逐漸減少,可能對大氣增氧也有一定貢獻。近年Aulbach and Stagno2016),Nicklas et al.2019)研究發現地幔從太古代以來變得逐漸氧化,進而推測地幔的氧化有可能導致了大氣的氧化。但這種推測尚未得到定量化驗證。為了定量檢驗地幔的氧化能否導致大氣的氧化,Kadoya et al.2020)在對前人數據再挖掘的基礎上發現太古代還原性火山氣體的噴發可以阻止大氣中O2的積累,并且這種狀況一直持續到大約2.5 Ga,這一認識對人們普遍認為的地幔的氧化并不是大氣中O2演化和有氧生命演化的關鍵驅動力的觀點提出了質疑,并認為需重新考慮地球和其他類地系外行星演化過程中地幔氧化對大氣演化的影響。 

  Aulbach and Stagno (2016)Nicklas et al.2019)曾用不同的方法分別揭示出地幔的fO2從早太古代到元古代上升了約1.3個對數單位,雖然兩種方法得出的fO2的變化趨勢相同,但不同時代氧逸度的具體數值(用ΔFMQ表示)不盡相同(圖1a)。Kadoya等以上述兩套數據為基礎,通過設定統一的現代MORBfO2值(ΔFMQ=0.2±0.3),重新計算了地幔的fO2演化趨勢線,發現兩套數據在各自的誤差范圍內獲得的地幔fO2演化趨勢線可以很好地重合(圖1b)。 

  在研究中,Kadoya等構建了氧化參數Koxy,用來衡量某一時刻大氣是否傾向于氧化的程度。它的定義是氧源通量與氧匯通量的比值,其中的氧匯通量主要受火山噴發的還原性氣體控制(如H2COH2SSO2CH4等)。當Koxy1時,導致氧匯的火山氣體量超過氧源量,大氣中H2增加。當Koxy1時,氧源超過有效氧匯,大氣中的O2增加,直到消耗氧氣的風化作用發生并使其達到平衡。 

  研究結果發現,在2.62 Ga及之后,Koxy1,即大氣具有氧化性的可能性超過95%,而在3.38 Ga之前,Koxy1的可能性小于50%3.6 Ga之前 Koxy1的可能性就更小了,只有30%。這就表明盡管存在光合作用,早太古代的大氣很可能是還原性的。因此,地幔不斷升高的fO2有可能使得大氣從還原性轉變為氧化性,轉變期大約是2.5 Ga之前(圖2)。 

  作者認為造成地幔的fO2從太古代以來逐漸增加,并進而觸發大氧化事件的原因有兩個,一個是地幔對流所導致的氧化還原狀態分層的原始地幔的均一化過程。早期原始地幔的氧化還原狀態是分層的,即下地幔中Fe2+在高壓下發生歧化反應形成Fe3+和單質Fe,單質Fe進入地核,殘留的Fe3+使得下地幔比上地幔更加氧化。在對流作用驅動下,上述分層的氧化還原狀態變得均一化,并使地幔的fO2升高。另外一個原因是大氣中諸如H2之類的強還原劑的大量逃逸進入太空,從而使得大氣逐漸變得氧化。 

1 aAulbach and Stagno (2016)Nicklas et al.(2019)用不同的方法分別揭示出地幔的氧逸度(fO2演化趨勢。氧逸度值用相對鐵橄欖石-磁鐵礦-石英緩沖線(ΔFMQ)來表示。圖中的虛線分別表示兩套數據的線性回歸,可以看出它們的趨勢大致相同,均反映了地幔自太古代以來氧逸度不斷升高;(bKadoya et al.2020)對上述兩套數據重新處理后的地幔的氧逸度演化趨勢,處理的方法是將兩套數據中現代MORBfO2值均采用ΔFMQ=0.2±0.3 

2氧化參數Koxy隨時間變化趨勢圖。圖中實線為中值,陰影區域為概率分位數5%-95%限定區域。虛線代表了Koxy=1,虛線之上表示大氣為氧化,之下為缺氧。虛線與概率分位數5%相交處對應的年齡為2.62 Ga, 意味著在2.62 Ga及之后,Koxy1,即大氣具有氧化性的可能性超過95%Kadoya et al., 2020    

  【致謝:感謝礦產室張連昌研究員對本文提出的修改建議。】 

  主要參考文獻 

  Aulbach S, Stagno V. Evidence for a reducing Archean ambient mantle and its effects on the carbon cycle[J]. Geology, 2016, 44(9): 751-754.鏈接 

  Kadoya S, Catling D C, Nicklas R W, et al. Mantle data imply a decline of oxidizable volcanic gases could have triggered the Great Oxidation[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 1-9.鏈接 

  Kump L R, Barley M E. Increased subaerial volcanism and the rise of atmospheric oxygen 2.5 billion years ago[J]. Nature, 2007, 448(7157): 1033-1036.鏈接  

  Nicklas R W, Puchtel I S, Ash R D, et al. Secular mantle oxidation across the Archean-Proterozoic boundary: Evidence from V partitioning in komatiites and picrites[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 250: 49-75.鏈接 

  (撰稿:英基豐/巖石圈室) 

 
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