海洋所首次通過全球岩漿岩化學成分變化確定地質曆史時期兩次全球性氧化事件

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時間:2019-09-03  來源:深海研究中心文本大小:【 |  | 】  【打印

  9月3日,美國科學院院報(PNAS)刊发了中國科學院海洋大科学研究中心、中國科學院海洋研究所深海中心孙卫东研究員课题组最新研究成果,研究人员首次通过全球岩浆岩的化学成分变化确定了地质历史时期两次全球性的氧化事件,为地球上大气氧含量的演化历史提供了重要研究依据。 

  地球形成早期,大氣圈中幾乎沒有氧氣,大氣氧是在地質曆史時期經曆了兩次大規模的升高後逐漸演化爲今天的含量的。上世紀以來,科學家們便對地質曆史時期全球性氧化事件的發生時間開展了一系列研究。然而,幾乎所有此類研究均是針對于沈積岩的地球化學特征而開展的,這是因爲沈積岩的元素含量、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生變化,而源于深部的岩漿岩則需要更爲複雜的地質過程才能發生成分改變。 

  孙卫东研究員指导其博士后刘鹤,联合国外科学家以全新手段和视角对全球性氧化事件的发生时间进行了限定。研究发现,在当今地球上,形成于阿留申群岛、堪察加半岛、千岛岛弧、日本群岛和琉球群岛的弧岩浆岩中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陸型岩漿岩。ThU是地球化學性質十分相近的兩種元素,因此不同岩性的岩漿岩中的平均Th/U基本保持一致。弧岩漿岩具有低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,致使現代海水中的U元素含量遠高于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的特征隨著流體運移最終帶入到俯沖帶上方形成的弧岩漿岩中。 

  在地球早期大氣和海水中均沒有氧氣的情況下,蝕變洋殼不會具有低Th/U特征,當時板塊俯沖作用所形成的弧岩漿岩Th/U也不會降低。基于這一設想,劉鶴等人從全球岩漿岩數據庫中篩選了30億年前至今形成的所有中酸性弧岩漿岩的地球化學數據,以統計學方法計算出全球弧岩漿岩的Th/U隨時間的變化規律。結果發現,弧岩漿岩的平均Th/U在地質曆史時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生。 

 

東亞地區和太平洋北部1000萬年前至今的岩漿岩的Th/U分布特征

  全球第一次氧化事件被稱爲“大氧化事件”,開始于大約24億年前,結束于大約21億年前,其發生和結束時間原是基于沈積岩的硫同位素和碳同位素組成變化而限定的。劉鶴等首次采用岩漿岩的成分精確限定“大氧化事件”的時代,弧岩漿岩的平均Th/U變化也進一步證實了在24~21億年前大氣和海水中的氧含量曾發生過一次大規模的先升高再降低的事件。全球第二次氧化事件被稱爲“新元古代氧化事件”,發生于大約7.5億年前。這次氧化事件以後,地球上的氧氣沒有大幅度回落,而是在相對較高的含量範圍內變化,從而爲埃迪卡拉紀動物繁盛(5.8億年前)和寒武紀生命大爆發(5.4億年前)奠定了基礎。弧岩漿岩的Th/U7.5億年前大幅度降低,昭示著大氣-海水中的氧含量大規模升高,這與前人通過沈積岩的Cr同位素組成、Mo元素含量以及硫酸鹽蒸發岩定年的研究成果相一致。 

  相比于沈積岩,岩漿岩的年齡數據更爲可靠,且樣品數量幾倍于沈積岩,分布範圍更廣。因此,基于弧岩漿岩的化學成分變化而取得的成果爲確定兩次氧化事件的形成時間提供了更加令人信服的證據。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生時間,而本研究所采用的弧岩漿岩的Th/U比值可以同時指示兩次氧化事件的發生,爲地球上大氣氧含量的演化曆史提供了重要的研究依據。 

   

氧化還原敏感性元素在地質曆史時期的變化特征

    

  本研究得到了中國科學院战略性先导专项BXDB18020102)和國家重點研發專項(2016YFC0600408)支持。

    

  參考文獻: 

  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. 

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