Nature: 重新釐定“大氧化事件”

所謂的“大氧化事件”（Great Oxidation Event）是指發生在24億年前至20億年前期間，地球大氣中氧氣（O

2

）第一次大幅度升高的現象。該事件發生之後，地球的表生環境發生了翻天覆地的變化，為之後真核生物的誕生、演化以及動植物的生存提供了宜居環境。因此，圍繞“大氧化事件”的研究是近些年地學研究的熱點問題。其中地球大氣氧氣的演化軌跡一直是學術界爭論的焦點問題（Lyons et al。， 2014）。

“大氧化事件”的起始時間一直是個謎，直到Farquhar et al。 （2000）發現古老地層（20。9億年之前）中的含硫礦物中具有顯著的硫同位素的非質量相關分餾（可表示為Δ

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S>0或Δ

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S<0），而20。9億年至今含硫礦物的硫同位素的非質量相關分餾就消失了（可表示為Δ

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S=0）。產生硫同位素非質量相關分餾的機理是與火山中的含硫氣體（SO

2，

H

2

S）在地球大氣中經過光化學反應的結果（圖 1），而當大氣氧氣濃度高於或等於現代氧氣水平的0。001%時，這種硫同位素的非質量相關分餾就不復存在（Pavlov and Kasting， 2002）。自此，地球化學指標硫同位素的非質量相關分餾的存在與否與大氣氧氣濃度高低直接關聯，也為判斷“大氧化事件”的起始時間的確立提供了有力的工具。藉助這一地化指標，經過眾多學者不斷的細化工作，尤其是針對南非Eastern Transvaal 盆地的古老沉積岩岩石的研究工作，硫同位素非質量相關分餾現象第一次消失的時間被確定在23。2億年前，這也被認為是地球大氣由還原轉變為氧化的起始時間（Luo et al。， 2016）。

圖1 早期地球的硫同位素非質量相關分餾發育模式 （Farquhar et al., 2002）

同樣是圍繞南非Eastern Transvaal 盆地這一得天獨厚的古老沉積岩，利用硫同位素非質量相關分餾這一指標，Poulton et al。 （2021）進一步對“大氧化事件”現有模式提出了修正。作者不但在23。2億年前發現硫同位素非質量分餾消失的現象，還在其後的一億年間發現了硫同位素非質量分餾重現的現象（圖2）。實際上，在同時期其它地區的地層中發現了類似現象，但是並不認為其與大氣的氧氣濃度的變化有關係，而是古老沉積物再迴圈導致的（Philippot et al。， 2018）。但是，Poulton等透過對於黃鐵礦的礦物學觀察和資料分析，首先排除了古老沉積物再迴圈加入的可能性，確定了硫同位素非質量分餾的重現是與大氣中氧氣水平急劇降低是相關聯的。也就是說在23。2億年前-22。2億年前，地球大氣並沒有完全成為氧化的大氣，氧氣濃度在大氣中劇烈波動，這期間是一個向氧化大氣演化的過渡階段。

這個解釋也就顛覆了我們之前關於“大氧化事件”的認識，將大氣氧氣完全氧化的時間又向後推遲了1億年，即在最後一次冰期之後的Lomagundi事件發生時期（22。2億年前和20。6億年前）。“Lomagundi事件”是無機碳同位素（δ

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C）呈現為地質歷史時期前所未有的高值（可達10‰），被解釋為有機質的大量埋藏，進而造成大氣氧氣的急劇增加（Bekker and Holland， 2012），持續時間大約為一億年。相對於傳統定義的長時間尺度的“大氧化事件（Great Oxidation Event）”， “Lomagundi事件”被作者定義為“大氧化片段（Great Oxidation Episode）”（圖2）。

圖2 25億年前至20億年前地球化學資料及地質記錄彙總（Poulton et al., 2021）。棕色區域代表的是傳統意義上的“大氧化事件”

作者進一步提出大氣氧氣的劇烈的波動是直接導致冰期發育的元兇。直接的原因是大氣中氧氣（O

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）升高直接導致早期地球大氣主要還原氣體甲烷（CH

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）的急劇減少，破壞了地球系統的平衡，導致地球溫度的急劇降低，直到冰期的發生。當最後一次冰期結束後，穩定氧化大氣的建立造成之後15億年間地球沒有大規模冰期的發育，直到新元古代“雪球地球”的到來。

主要參考文獻

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Bekker A， Holland H D， Wang P L， et al。 Dating the rise ofatmospheric oxygen［J］。 Nature， 2004， 427（6970）： 117-120。

Farquhar J， Bao H， Thiemens M。 Atmospheric influence of Earth‘searliest sulfur cycle［J］。 Science， 2000， 289（5480）： 756-758。

Farquhar J， Wing B A， McKeegan K D， et al。 Mass-independent sulfurof inclusions in diamond and sulfur recycling on early Earth［J］。 Science， 2002，298（5602）： 2369-2372。

Luo G， Ono S， Beukes N J， et al。 Rapid oxygenation of Earth’s atmosphere2。33 billion years ago［J］。 Science Advances， 2016， 2（5）： e1600134。

Lyons T W， Reinhard C T， Planavsky N J。 The rise of oxygen in Earth’s earlyocean and atmosphere［J］。 Nature， 2014， 506（7488）： 307-315。

Pavlov A A， Kasting J F。 Mass-independent fractionation of sulfurisotopes in Archean sediments： strong evidence for an anoxic Archeanatmosphere［J］。 Astrobiology， 2002， 2（1）： 27-41。

Philippot P， ávila J N， Killingsworth B A， et al。 Globally asynchronous sulphurisotope signals require re-definition of the Great Oxidation Event［J］。 NatureCommunications， 2018， 9（1）： 1-10。

Poulton S W， Bekker A， Cumming V M， et al。 A200-million-year delay in permanent atmospheric oxygenation［J］。 Nature， 2021：1-5。

（撰稿：馮連君/科技平臺）