最新古元古代强烈氧化风化脉冲的研究报告
最新古元古代强烈氧化风化脉冲的研究报告
学术背景
地球大气中的氧气水平对海洋生态系统的生态和生物地球化学功能有着深远的影响。大约在25亿至22亿年前发生的“大氧化事件”（Great Oxidation Event, GOE）标志着大气中氧气水平从微量上升到超过现代大气水平的10^-5。然而，随后的约10亿年中，大气氧气水平下降到一个较低的水平，尽管具体水平尚不确定。近年来的研究表明，这一时期的氧化还原环境比之前认为的更为复杂，存在多次氧气脉冲事件。然而，这些氧气脉冲事件的原因和范围仍然不清楚。
为了探究这些问题，研究人员对华北克拉通（North China Craton, NCC）的1.64亿年前的黑色页岩和白云岩进行了分析。这些岩石代表了哥伦比亚超大陆（Columbia supercontinent）分裂期间沉积的沉积物。通过研究这些岩石的元素浓度、铼-锇（Re-Os）和铜（Cu）同位素组成，研究人员旨在评估陆地风化过程以及最新古元古代大气氧气水平的演化。
论文来源
这篇论文由Xiuqing Yang、Guowei Yang、Chao Li、Kurt O. Konhauser、Changzhi Wu、Fang Huang和Jingwen Mao共同撰写。作者分别来自长安大学地球科学与资源学院、中国地质科学院国家地质分析中心、阿尔伯塔大学地球与大气科学系、中国科学技术大学地球与空间科学学院以及中国地质科学院矿产资源研究所。论文于2024年9月25日在线发表在《Geology》期刊上，DOI为10.1130/g52373.1。
研究流程
1. 样品采集与处理
研究人员从河北省赤城县曾家沟铁矿的ZK83-6钻孔中获取了串岭沟组（Chuanlinggou Formation）的黑色页岩和白云岩样品。这些样品经过详细的岩石学检查后，进行了总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）、总硫（Total Sulfur, TS）、主要和微量元素、Re-Os和Cu同位素分析。
2. 实验方法
- 总有机碳和总硫分析：使用标准方法测定TOC和TS含量。
- 主要和微量元素分析：通过X射线荧光光谱法（XRF）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定。
- Re-Os同位素分析：采用逆王水（inverse aqua regia）方法溶解样品，以减少空白水平。通过热电离质谱法（TIMS）测定Re和Os同位素组成。
- Cu同位素分析：使用多接收器电感耦合等离子体质谱法（MC-ICP-MS）测定Cu同位素组成。
3. 数据分析
- Re-Os同位素数据：计算初始187Os/188Os比值，反映沉积时海水的Os同位素组成。
- Cu同位素数据：计算δ65Cu值，评估氧化风化过程。
- Th/U比值和化学风化指数（CIA-K）：用于评估陆地风化强度。
主要结果
1. 黑色页岩和白云岩的元素组成
黑色页岩样品的TOC和TS含量分别为0.13-4.68 wt%和0.03-2.13 wt%，而白云岩样品的TOC和TS含量分别为0.05-0.64 wt%和0.02-0.62 wt%。黑色页岩的Th/U比值范围为0.94-7.21，平均值为4.53，表明强烈的氧化风化。
2. Re-Os同位素组成
黑色页岩样品的初始187Os/188Os比值为0.84-1.34，平均值为1.06±0.14，与现代海水值（~1.06）相似。白云岩样品的初始187Os/188Os比值为0.58-0.93，平均值为0.72±0.13。
3. Cu同位素组成
黑色页岩样品的δ65Cu值为-0.19‰至0.43‰，平均值为+0.12‰±0.17‰，与GOE和GOE后的页岩相似。
4. 化学风化指数
整个剖面的CIA-K值为84-99，表明强烈的化学风化。
讨论与结论
1. 氧化风化的证据
高初始187Os/188Os比值、正δ65Cu值、高Th/U比值和CIA-K值表明，1.64亿年前的陆地风化过程以强烈的氧化风化为特征。这些发现与GOE后的风化过程相似，表明这一时期可能存在一次氧气脉冲事件。
2. 强烈陆地风化的起源和原因
研究人员认为，哥伦比亚超大陆的分裂导致了陆地风化的增强。超大陆分裂期间，大量新鲜基性岩石的风化增加了海洋中的磷供应，刺激了蓝细菌的光合作用，进而提高了氧气生产速率。此外，超大陆分裂还扩大了海岸线，为蓝细菌提供了更多的浅水栖息环境。
3. 科学价值与应用价值
这项研究为理解古元古代大气氧气水平的演化提供了新的证据，揭示了超大陆分裂与氧气脉冲事件之间的可能联系。研究结果对理解地球早期氧化还原环境的复杂性和氧气生产的驱动机制具有重要意义。
研究亮点
- 重要发现：1.64亿年前的陆地风化过程以强烈的氧化风化为特征，可能与一次氧气脉冲事件相关。
- 方法创新：采用逆王水方法进行Re-Os同位素分析，减少了空白水平，提高了数据精度。
- 研究对象特殊性：研究样品来自华北克拉通的串岭沟组，是该地区保存最完好的1.8-0.8亿年前黑色页岩之一。
其他有价值的信息
研究还发现，哥伦比亚超大陆分裂期间的大规模火成岩省（Large Igneous Provinces, LIPs）活动可能进一步促进了陆地风化和氧气生产。这些发现为理解地球早期氧化还原环境的演化提供了新的视角。