巨大火山噴火促進(jìn)的氧化世界的開(kāi)幕——析太古代晚期“氧漲落”的成因——

發(fā)表要點(diǎn)

理論上表明，在大氣中幾乎不含氧的遠(yuǎn)古地球上發(fā)生巨大火山噴發(fā)的話，大氣中的氧濃度有可能會(huì)暫時(shí)上升。

通過(guò)模擬遠(yuǎn)古地球物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的行為，明確了引起至今為止尚不清楚的遠(yuǎn)古末期“氧的波動(dòng)”的主要原因。

我們期待著對(duì)原始海洋生態(tài)系統(tǒng)活動(dòng)變化與地球環(huán)境演化的相互作用，以及大氣氧濃度永久上升機(jī)制的理解取得重大進(jìn)展。

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發(fā)布概述

東京大學(xué)研究生院理學(xué)系研究科的渡邊泰士客座共同研究員及田近英一教授由東京科學(xué)大學(xué)理學(xué)院副教授尾崎和海、海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)副主任研究員原田真理子、筑波大學(xué)生命環(huán)境系助教松本廣直等人組成的研究小組，在遠(yuǎn)古時(shí)代(注1 )晚期發(fā)生的“氧氣波動(dòng)”(注2 )我明確了引起事故的主要原因。

本研究開(kāi)發(fā)了能夠處理大氣氧濃度低的遠(yuǎn)古時(shí)代大氣及海水中物質(zhì)的輸送和化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，是巨大火成巖巖石區(qū)(注3 )進(jìn)行了推測(cè)伴隨的形成的巨大火山噴發(fā)引起的火山氣體的釋放所引起的大氣組成和海洋生物活動(dòng)的變化的模擬，在世界上首次從理論上展示了巨大火山噴發(fā)和大氣中氧濃度暫時(shí)上升的因果關(guān)系。

本研究在估算缺氧的遠(yuǎn)古時(shí)代巨大火山噴發(fā)后大氣氧濃度的變化方面具有新穎性，隨后發(fā)生的大氣氧濃度急劇上升事件(大氧化事件)(注4 )對(duì)于引起的長(zhǎng)期的地球環(huán)境和生命的進(jìn)化也提出了新的觀點(diǎn)(圖1 )。

圖1 :地質(zhì)學(xué)地球化學(xué)證據(jù)提示從遠(yuǎn)古時(shí)代到古原生代的地球環(huán)境演化

上段開(kāi)始大氣氧濃度(以0.21個(gè)大氣壓為當(dāng)前值，用相對(duì)值PAL表示)、巨大火成巖巖石區(qū)( LIP )活動(dòng)、河流沉積物中鋯石(俯沖帶花崗巖質(zhì)火成活動(dòng))的年代分布、大陸生長(zhǎng)的各種模型

發(fā)表內(nèi)容

迄今為止的先行研究積累了地球化學(xué)證據(jù)，表明在太古代末期發(fā)生了“氧的波動(dòng)”(圖1 )。 特別是，最近有證據(jù)表明，在這種氧氣波動(dòng)發(fā)生前，曾引起過(guò)巨大火山噴發(fā)，但這些現(xiàn)象的因果關(guān)系尚不清楚。

研究小組受到這些現(xiàn)象之間前后關(guān)系的啟發(fā)，率先在世界上開(kāi)發(fā)了考慮當(dāng)時(shí)大氣及海洋中各種元素(碳、磷、硫、鐵、氧、鈣)涉及的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程、生物過(guò)程，各元素的循環(huán)和相互作用的數(shù)學(xué)模型

得到的結(jié)果如圖2所示。 隨著巨大火山噴發(fā)的發(fā)生，大量的二氧化碳被排放到大氣中，表明大氣二氧化碳濃度急劇上升。 于是，大陸地壇的化學(xué)風(fēng)化(注5 )的速度增大，巖石中的成分通過(guò)河流大量流出海洋。 特別是，由于限制負(fù)責(zé)當(dāng)時(shí)海洋基礎(chǔ)生產(chǎn)的光合生物的活動(dòng)的必需元素(磷等)的供給速度也上升，因此作為產(chǎn)氧型光合生物的藍(lán)藻(注6 )的基礎(chǔ)生產(chǎn)上升到了之前的兩倍以上，表明大氣氧濃度將在數(shù)百萬(wàn)年到一千萬(wàn)年間上升。 由于這段時(shí)間的長(zhǎng)度與根據(jù)地質(zhì)證據(jù)推測(cè)的氧的波動(dòng)發(fā)生期間一致，理論上表明了巨大火山噴發(fā)引起氧的波動(dòng)的可能性。

此外，研究還表明，遠(yuǎn)古末期大陸的快速生長(zhǎng)(圖1 )有助于巨大火山噴發(fā)后從大陸向海洋供給營(yíng)養(yǎng)鹽的速度上升，形成了容易發(fā)生氧氣波動(dòng)的環(huán)境。 這一結(jié)果表明，發(fā)生氧漲落的太古代晚期地球環(huán)境，是大陸生長(zhǎng)達(dá)到一定大小而引起大氧化事件的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(注7 )暗示已經(jīng)接近了。

以上研究成果表明，即將發(fā)生大氧化事件的全球環(huán)境中大氣組成的動(dòng)態(tài)變化，可能與當(dāng)時(shí)的火山活動(dòng)、甚至長(zhǎng)期的大陸地殼演化存在因果關(guān)系，表明在遠(yuǎn)古無(wú)氧環(huán)境向富氧環(huán)境轉(zhuǎn)變過(guò)程中，地球環(huán)境與生命的共同演化

圖2 :物質(zhì)循環(huán)模型對(duì)遠(yuǎn)古巨大火山噴發(fā)所導(dǎo)致的地球環(huán)境及大氣組成演化的估算結(jié)果

從上段開(kāi)始大氣CO2分壓(以300ppm為當(dāng)前值，用相對(duì)值PAL表示)、海洋深層水中的磷酸鹽濃度、海洋基礎(chǔ)生產(chǎn)速度、大氣氧濃度(以0.21個(gè)大氣壓為當(dāng)前值，用相對(duì)值PAL表示)。

相關(guān)鏈接

東京科學(xué)大學(xué)、海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、筑波大學(xué)

論文信息

雜志名稱 communication s earth & environment ( springer nature )

論文標(biāo)題

機(jī)械鏈接between intense volcan ism and the transient oxygen ation of the Archean atmosphere

作者 Yasuto Watanabe*，Kazumi Ozaki，Mariko Harada，Hironao Matsumoto，Eiichi Tajika(*責(zé)任作者)

DOI號(hào)碼 10.1038/s43247-025-02090-x

研究資助

本研究是在科研費(fèi)“從陸地挖掘中解讀的氧化性地球環(huán)境的形成過(guò)程(課題編號(hào): 24H00267 )”、科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)“從地球化學(xué)進(jìn)化史向泛生命行星進(jìn)化論的展開(kāi)(課題編號(hào): JPMJFR2274 )”的支持下實(shí)施的。

用語(yǔ)解說(shuō)

注1太古代( Archean )

太古代是地質(zhì)時(shí)代劃分之一，根據(jù)國(guó)際年代層序表指40.31億年前至25億年前。 遠(yuǎn)古時(shí)代的大氣中氧濃度比現(xiàn)在低6位數(shù)以上，被認(rèn)為持續(xù)了極其無(wú)氧的環(huán)境。 參考:https:///chart ↑

注2氧的漲落( A whiff of oxygen )

太古代約30億年前至25億年前，大氣氧濃度曾有過(guò)短暫上升的時(shí)期，這是根據(jù)對(duì)大氣氧濃度上升反應(yīng)靈敏的元素(如鉬、錸、硒等)的濃集等所暗示的，稱為氧的漲落。 暗示氧氣波動(dòng)的這種記錄，被記錄在澳大利亞和南美洲等多個(gè)地區(qū)的地層中，正在積極地進(jìn)行研究?！?/p>

注3巨大火成巖巖石區(qū)( Large Igneous Provinces，LIPs )

火成巖地區(qū)，由地幔布盧姆上升引起，長(zhǎng)期噴出大量巖漿而形成。 發(fā)生在海洋地壇上的，稱為海臺(tái)；發(fā)生在大陸地壇上的，稱為洪水玄武巖。 眾所周知，一旦引起巨大火成巖巖石區(qū)的形成，溫室效應(yīng)氣體二氧化碳就會(huì)大量排放到大氣中，對(duì)地球環(huán)境和生物活動(dòng)產(chǎn)生極大的影響。 在最近的時(shí)代，已知發(fā)生在中生代白堊紀(jì)中期(約1億年前)和白堊紀(jì)/古第三紀(jì)邊界附近(約6600萬(wàn)年前)等?！?/p>

注4大氧化事件( Great Oxidation Event，GOE )

地球大氣的大氣氧濃度在地球歷史初期幾乎為零，但在地球歷史上約2522億年前和約86億年前兩次急劇上升，一直持續(xù)到現(xiàn)在。 大氣氧濃度約25~22億年前首次永久性急劇上升的事件稱為大氧化事件?！?/p>

注5化學(xué)風(fēng)化( Chemical weathering )

大氣中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中，與大陸地壇上的巖石中含有的礦物反應(yīng)，溶解礦物的作用。 由于構(gòu)成大陸地墾的硅酸鹽礦物發(fā)生化學(xué)風(fēng)化，河水向海水中提供陽(yáng)離子和碳酸氫根離子，使碳酸鹽礦物在海洋中沉淀，因此是一個(gè)從大氣中凈去除二氧化碳的過(guò)程。 眾所周知，這一系列過(guò)程具有使大氣中的二氧化碳濃度(即地球的氣候狀態(tài))長(zhǎng)期穩(wěn)定的作用?！?/p>

注6藍(lán)細(xì)菌

地球上首次進(jìn)行氧發(fā)生型光合作用的生物(細(xì)菌)。 雖然不知道是什么時(shí)候出現(xiàn)的，但一般認(rèn)為在地球大氣中氧濃度急劇上升的大氧化事件(約25-22億年前)之前(約25-30億年前)就已經(jīng)出現(xiàn)了。 盡管如此，在當(dāng)時(shí)厭氧(無(wú)氧)的地球環(huán)境中，其活動(dòng)受到明顯限制，環(huán)境中的氧氣仍然很低?！?/p>

注7拍打點(diǎn)( Tipping point )

指發(fā)生微小變化時(shí)該變化被放大而引起急劇變化的條件。 “轉(zhuǎn)折點(diǎn)”的意思。 可以認(rèn)為，大氧化事件的發(fā)生條件可能與大氣中氧濃度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

相關(guān)鏈接

東京科學(xué)大學(xué)、海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、筑波大學(xué)