中國(guó)科大揭示新元古代雪球地球與生命演化新機(jī)制

在距今約8-6億年前，地球經(jīng)歷了兩次長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)年的冰期，厚達(dá)千米的冰蓋幾乎覆蓋了整個(gè)地球，因此稱之為“雪球地球”。兩次“雪球地球”事件之間是一個(gè)相對(duì)溫暖的間冰期，期間以綠藻為主的初級(jí)生產(chǎn)者和海綿的出現(xiàn)代表了生命演化史上又一次重要革命。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安課題組以高精度硫和汞同位素分析為主要手段對(duì)華南間冰期地層進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出“雪球地球”的消融誘發(fā)了大規(guī)?；鹕交顒?dòng)這一新觀點(diǎn)，并證明了間冰期海洋的逐漸氧化為早期復(fù)雜生命演化提供了有利的環(huán)境條件。相關(guān)研究成果近日以“Deglacial volcanism and reoxygenation in the aftermath of the Sturtian Snowball Earth”為題發(fā)表于國(guó)際綜合學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》(Science Advances)。

新元古代“雪球地球”事件，分別為斯圖特“雪球地球”和馬里諾“雪球地球”。前者持續(xù)了大約5600萬(wàn)年，后者持續(xù)了大約1000萬(wàn)年。在“雪球地球”時(shí)期，大氣和海洋之間幾乎缺乏物質(zhì)交換，陸地硅酸巖風(fēng)化作用微乎其微，但持續(xù)數(shù)百萬(wàn)年的火山活動(dòng)釋放了大量的二氧化碳，形成了超級(jí)“溫室效應(yīng)”，從而導(dǎo)致“雪球地球”的迅速消融。在斯圖特“雪球地球”消融之后，綠藻開始取代細(xì)菌成為主要初級(jí)生產(chǎn)者，同時(shí)有機(jī)生物標(biāo)記物表明海綿也很可能在冰川消融之后開始出現(xiàn)。因此，探討“雪球地球”這一極端氣候事件與早期復(fù)雜生命演化的關(guān)系一直是地球科學(xué)領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。

研究團(tuán)隊(duì)以華南大塘坡組為主要研究對(duì)象，探討“雪球地球”消融之后地球表層環(huán)境和氣候系統(tǒng)的變化。大塘坡組不僅是我國(guó)大型甚至超大型沉積錳礦床的重要產(chǎn)出層位，而且?guī)缀跬暾赜涗浟藘纱巍把┣虻厍颉敝g氣候和環(huán)境變化序列。研究團(tuán)隊(duì)在多次野外考察和調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取大塘坡組長(zhǎng)達(dá)百米的鉆孔進(jìn)行了地質(zhì)、地層和地球化學(xué)系統(tǒng)分析。研究結(jié)果表明，“雪球地球”消融初期海水的化學(xué)組成以海底噴發(fā)的熱液為主，這一結(jié)果間接地反映了“雪球地球”時(shí)期的海洋與正常海洋有根本的不同，當(dāng)時(shí)海洋、大氣和陸地缺乏物質(zhì)交換和循環(huán)。非質(zhì)量汞同位素的變化證明了“雪球地球”消融期間火山活動(dòng)的加強(qiáng)，針對(duì)這一新發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出“雪球地球”的迅速消融造成了地球表層壓力的突然減少，從而誘發(fā)了地球深部的巖漿活動(dòng)和火山噴發(fā)這一新觀點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，間冰期沉積物中黃鐵礦的硫同位素組成異常，其中包括小幅度的非質(zhì)量硫同位素分餾，但沉積序列清楚地表明，小幅度的非質(zhì)量硫同位素分餾與火山活動(dòng)沒有成因上的聯(lián)系。針對(duì)這一新發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出小幅度的非質(zhì)量硫同位素分餾，是由于“雪球地球”改變了海水硫酸鹽的硫同位素組成。

另外，硫同位素隨時(shí)間的變化規(guī)律證明了間冰期海水硫酸鹽濃度的逐漸加強(qiáng)，表明當(dāng)時(shí)大氣和海洋系統(tǒng)的逐漸氧化。根據(jù)大氣化學(xué)組成變化、地球表層溫度的逐步降低以及海洋的逐漸氧化，研究團(tuán)隊(duì)提出間冰期地球表層環(huán)境和氣候的變化促進(jìn)了早期復(fù)雜生命的演化（圖）。該項(xiàng)研究結(jié)果對(duì)探索現(xiàn)代極端氣候變化和地球宜居性具有重要的啟示意義。

圖：兩次“雪球地球”事件之間地球表層環(huán)境和氣候系統(tǒng)變化示意圖