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科研进展

2023年09月07日
中国科大揭示新元古代雪球地球与生命演化新机制

在距今约8-6亿年前,地球经历了两次长达数百万年的冰期,厚达千米的冰盖几乎覆盖了整个地球,因此称之为“雪球地球”。两次“雪球地球”事件之间是一个相对温暖的间冰期,期间以绿藻为主的初级生产者和海绵的出现代表了生命演化史上又一次重要革命。中国科学技术大学沈延安课题组以高精度硫和汞同位素分析为主要手段对华南间冰期地层进行了系统研究,提出“雪球地球”的消融诱发了大规模火山活动这一新观点,并证明了间冰期海洋的逐渐氧化为早期复杂生命演化提供了有利的环境条件。相关研究成果近日以“Deglacial volcanism and reoxygenation in the aftermath of the Sturtian Snowball Earth”为题发表于国际综合学术期刊《科学·进展》(Science Advances)。

新元古代“雪球地球”事件,分别为斯图特“雪球地球”和马里诺“雪球地球”。前者持续了大约5600万年,后者持续了大约1000万年。在“雪球地球”时期,大气和海洋之间几乎缺乏物质交换,陆地硅酸岩风化作用微乎其微,但持续数百万年的火山活动释放了大量的二氧化碳,形成了超级“温室效应”,从而导致“雪球地球”的迅速消融。在斯图特“雪球地球”消融之后,绿藻开始取代细菌成为主要初级生产者,同时有机生物标记物表明海绵也很可能在冰川消融之后开始出现。因此,探讨“雪球地球”这一极端气候事件与早期复杂生命演化的关系一直是地球科学领域具有挑战性的科学问题。

研究团队以华南大塘坡组为主要研究对象,探讨“雪球地球”消融之后地球表层环境和气候系统的变化。大塘坡组不仅是我国大型甚至超大型沉积锰矿床的重要产出层位,而且几乎完整地记录了两次“雪球地球”之间气候和环境变化序列。研究团队在多次野外考察和调研的基础上,选取大塘坡组长达百米的钻孔进行了地质、地层和地球化学系统分析。研究结果表明,“雪球地球”消融初期海水的化学组成以海底喷发的热液为主,这一结果间接地反映了“雪球地球”时期的海洋与正常海洋有根本的不同,当时海洋、大气和陆地缺乏物质交换和循环。非质量汞同位素的变化证明了“雪球地球”消融期间火山活动的加强,针对这一新发现,研究团队提出“雪球地球”的迅速消融造成了地球表层压力的突然减少,从而诱发了地球深部的岩浆活动和火山喷发这一新观点。

研究团队同时发现,间冰期沉积物中黄铁矿的硫同位素组成异常,其中包括小幅度的非质量硫同位素分馏,但沉积序列清楚地表明,小幅度的非质量硫同位素分馏与火山活动没有成因上的联系。针对这一新发现,研究团队提出小幅度的非质量硫同位素分馏,是由于“雪球地球”改变了海水硫酸盐的硫同位素组成。

另外,硫同位素随时间的变化规律证明了间冰期海水硫酸盐浓度的逐渐加强,表明当时大气和海洋系统的逐渐氧化。根据大气化学组成变化、地球表层温度的逐步降低以及海洋的逐渐氧化,研究团队提出间冰期地球表层环境和气候的变化促进了早期复杂生命的演化(图)。该项研究结果对探索现代极端气候变化和地球宜居性具有重要的启示意义。

图:两次“雪球地球”事件之间地球表层环境和气候系统变化示意图

论文的第一和通讯作者为李梦涵特任副研究员。该项研究受到国家自然科学基金创新研究群体、重大和重点项目、博士后创新人才计划、高等学校学科创新引智计划的支持。

论文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh9502


(地空学院、科研部)

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