9月3日，美國科學(xué)院院報(bào)（PNAS）刊發(fā)了中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心、中國科學(xué)院海洋研究所深海中心孫衛(wèi)東研究員課題組最新研究成果，研究人員首次通過全球巖漿巖的化學(xué)成分變化確定了地質(zhì)歷史時(shí)期兩次全球性的氧化事件，為地球上大氣氧含量的演化歷史提供了重要研究依據(jù)。
地球形成早期，大氣圈中幾乎沒有氧氣，大氣氧是在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了兩次大規(guī)模的升高后逐漸演化為今天的含量的。上世紀(jì)以來，科學(xué)家們便對地質(zhì)歷史時(shí)期全球性氧化事件的發(fā)生時(shí)間開展了一系列研究。然而，幾乎所有此類研究均是針對于沉積巖的地球化學(xué)特征而開展的，這是因?yàn)槌练e巖的元素含量、同位素組成等可以直接受到大氣-海水中氧含量的影響而發(fā)生變化，而源于深部的巖漿巖則需要更為復(fù)雜的地質(zhì)過程才能發(fā)生成分改變。
孫衛(wèi)東研究員指導(dǎo)其博士后劉鶴，聯(lián)合國外科學(xué)家以全新手段和視角對全球性氧化事件的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行了限定。研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)今地球上，形成于阿留申群島、堪察加半島、千島島弧、日本群島和琉球群島的弧巖漿巖中Th元素含量和U元素含量的比值（Th/U）明顯低于亞洲東部的內(nèi)陸型巖漿巖。Th和U是地球化學(xué)性質(zhì)十分相近的兩種元素，因此不同巖性的巖漿巖中的平均Th/U基本保持一致。弧巖漿巖具有低Th/U的原因是在大氣和海水中氧氣的氧化作用下，地表河流和海水中的U元素主要以溶于水的U6+形式存在，但Th元素仍以不溶于水的Th4+形式存在，致使現(xiàn)代海水中的U元素含量遠(yuǎn)高于Th元素含量，從而造成蝕變的海底洋殼具有低Th/U。這些蝕變洋殼在沿俯沖帶向深部俯沖過程中，通過洋殼脫水等作用將其低Th/U的特征隨著流體運(yùn)移最終帶入到俯沖帶上方形成的弧巖漿巖中。
在地球早期大氣和海水中均沒有氧氣的情況下，蝕變洋殼不會(huì)具有低Th/U特征，當(dāng)時(shí)板塊俯沖作用所形成的弧巖漿巖Th/U也不會(huì)降低?；谶@一設(shè)想，劉鶴等人從全球巖漿巖數(shù)據(jù)庫中篩選了30億年前至今形成的所有中酸性弧巖漿巖的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算出全球弧巖漿巖的Th/U隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，弧巖漿巖的平均Th/U在地質(zhì)歷史時(shí)期的兩次大幅度降低剛好記錄了大約24億年前和大約7.5億年前兩次全球性氧化事件的發(fā)生。
東亞地區(qū)和太平洋北部1000萬年前至今的巖漿巖的Th/U分布特征
全球第一次氧化事件被稱為“大氧化事件”，開始于大約24億年前，結(jié)束于大約21億年前，其發(fā)生和結(jié)束時(shí)間原是基于沉積巖的硫同位素和碳同位素組成變化而限定的。劉鶴等首次采用巖漿巖的成分精確限定“大氧化事件”的時(shí)代，弧巖漿巖的平均Th/U變化也進(jìn)一步證實(shí)了在24~21億年前大氣和海水中的氧含量曾發(fā)生過一次大規(guī)模的先升高再降低的事件。全球第二次氧化事件被稱為“新元古代氧化事件”，發(fā)生于大約7.5億年前。這次氧化事件以后，地球上的氧氣沒有大幅度回落，而是在相對較高的含量范圍內(nèi)變化，從而為埃迪卡拉紀(jì)動(dòng)物繁盛（5.8億年前）和寒武紀(jì)生命大爆發(fā)（5.4億年前）奠定了基礎(chǔ)?；r漿巖的Th/U在7.5億年前大幅度降低，昭示著大氣-海水中的氧含量大規(guī)模升高，這與前人通過沉積巖的Cr同位素組成、Mo元素含量以及硫酸鹽蒸發(fā)巖定年的研究成果相一致。
相比于沉積巖，巖漿巖的年齡數(shù)據(jù)更為可靠，且樣品數(shù)量幾倍于沉積巖，分布范圍更廣。因此，基于弧巖漿巖的化學(xué)成分變化而取得的成果為確定兩次氧化事件的形成時(shí)間提供了更加令人信服的證據(jù)。此前絕大部分研究成果都是通過針對性研究分別限定兩次氧化事件的發(fā)生時(shí)間，而本研究所采用的弧巖漿巖的Th/U比值可以同時(shí)指示兩次氧化事件的發(fā)生，為地球上大氣氧含量的演化歷史提供了重要的研究依據(jù)。
氧化還原敏感性元素在地質(zhì)歷史時(shí)期的變化特征
本研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)B（XDB18020102）和國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)（2016YFC0600408）支持。
參考文獻(xiàn)：
Liu H., Zartman R. E., Ireland T. R., Sun W.-D. 2019. Global atmospheric oxygen variations recorded by Th/U systematics of igneous rocks. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. DOI: 10.1073/pnas.1902833116.
