中國科大揭示新元古代雪球地球與生命演化新機制

在距今約8-6億年前，地球經(jīng)歷了兩次長達數(shù)百萬年的冰期，厚達千米的冰蓋幾乎覆蓋了整個地球，因此稱之為“雪球地球”。兩次“雪球地球”事件之間是一個相對溫暖的間冰期，期間以綠藻為主的初級生產(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。中國科學技術(shù)大學沈延安課題組以高精度硫和汞同位素分析為主要手段對華南間冰期地層進行了系統(tǒng)研究，提出“雪球地球”的消融誘發(fā)了大規(guī)?；鹕交顒舆@一新觀點，并證明了間冰期海洋的逐漸氧化為早期復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)表于國際綜合學術(shù)期刊《科學·進展》(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5600萬年，后者持續(xù)了大約1000萬年。在“雪球地球”時期，大氣和海洋之間幾乎缺乏物質(zhì)交換，陸地硅酸巖風化作用微乎其微，但持續(xù)數(shù)百萬年的火山活動釋放了大量的二氧化碳，形成了超級“溫室效應(yīng)”，從而導致“雪球地球”的迅速消融。在斯圖特“雪球地球”消融之后，綠藻開始取代細菌成為主要初級生產(chǎn)者，同時有機生物標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雜生命演化的關(guān)系一直是地球科學領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的科學問題。

研究團隊以華南大塘坡組為主要研究對象，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。研究團隊在多次野外考察和調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取大塘坡組長達百米的鉆孔進行了地質(zhì)、地層和地球化學系統(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”時期的海洋與正常海洋有根本的不同，當時海洋、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”消融期間火山活動的加強，針對這一新發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出“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和火山噴發(fā)這一新觀點。

研究團隊同時發(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沒有成因上的聯(lián)系。針對這一新發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出小幅度的非質(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，表明當時大氣和海洋系統(tǒng)的逐漸氧化。根據(jù)大氣化學組成變化、地球表層溫度的逐步降低以及海洋的逐漸氧化，研究團隊提出間冰期地球表層環(huán)境和氣候的變化促進了早期復雜生命的演化（圖）。該項研究結(jié)果對探索現(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