地球化学证据揭示海洋氧化为何延迟20亿年

氧气是生命之源。早期，地球的氧气含量极低。直到24亿年前，地球上发生了第一次重大的氧化事件，现在氧气含量达到了1%以上，才导致了地球上真核生物的首次出现。第二次大氧化事件发生在5.8-5.2亿年前，当时大气中的氧含量增加到现代大气的60%以上，引发了动物的快速起源和寒武纪大爆发。

为什么在第一次大氧化事件后，地球大气和海洋的氧化程度滞后了近20亿年才急剧增加？由中国科学院南京地质古生物研究所朱研究员领衔的中英合作团队，利用多种地球化学指标和数学模型，首次系统论证了海洋中巨大溶解有机碳库的存在是延缓元古代海洋完全氧化的关键原因。最近，这一成果发表在《地球科学》杂志《地球与行星科学通讯》上。

溶解有机碳库模型最早是由美国学者提出的。该模型认为前寒武纪海洋表层透光带的微生物主要是原核生物。这些微生物死亡后，有机物颗粒小，沉降速度慢，在海水中积累形成巨大的海洋溶解有机碳库，比现代海洋高出1000多倍。这种以细菌为主的微小有机物颗粒容易被氧化降解，消耗了海水中大量的氧气，从而导致海洋长期缺氧，阻止了大气氧化的增加。这就好比前寒武纪海洋是一个巨大的沼泽池，水中大量的腐殖有机物不断消耗氧气，导致水体浑浊缺氧。只有当这个有机碳库被完全清除后，大气和海洋中的氧含量才能大大增加。然而，这一模式随后遭到质疑。反对者认为，古代地球无法提供足够的氧化剂来清除海洋中巨大的碳库。

2019年，朱带领中英团队在《自然地球科学》发文，提出大规模造山运动导致海洋盆地形成的大量蒸发盐类矿物风化，可带来大量硫酸盐(氧化剂)，通过硫酸盐还原菌大规模消耗海水中溶解的有机碳，大规模埋藏黄铁矿(产生氧气)，最终导致碳库减少，海洋快速氧化。

为了支持这一假说，研究小组在中国三峡地区南沱村剖面埃迪卡拉纪陡山沱组发现了一次地质历史最长但持续时间较短的负碳同位素漂移事件(约6亿年前)。为了找出这次负漂移事件的原因，研究小组对碳、氧、硫、铀、锶等多同位素体系进行了详细分析，最终揭示这是大陆风化加剧导致硫酸输入增加引发的一次短暂海洋氧化事件。

根据他们的分析，埃迪卡拉纪早期发生的负碳同位素漂移事件可能标志着这个大规模深海溶解有机碳库开始解体。随后，持续时间更长、强度更大的几次脉冲氧化剂输入事件不断消耗海洋中溶解的有机碳库，最终导致其在早寒武世灭绝，海洋变得更加氧化，为早寒武世动物爆发和复杂海洋生态系统的出现创造了前提条件。