梅冥相, 孟庆芬. (2016)大气圈氧气含量水平上升的时间进程:一个与地球动力学过程紧密相关的地球生物学过程[J]. 古地理学报, 18(1): 1-20
Mei Mingxiang, Meng Qingfen. (2016)Timing of the rise of atmospheric oxygen content level:A geobiological process that is closely and genetically related to the geodynamics[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(1): 1-20. DOI:10.7605/gdlxb.2016.01.001  
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大气圈氧气含量水平上升的时间进程:一个与地球动力学过程紧密相关的地球生物学过程
梅冥相, 孟庆芬
中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

作者简介:梅冥相,男, 1965年生,教授,博士生导师,主要从事沉积学和地层学研究工作。 E-mail: meimingxiang@263.net。

收稿日期:2015-06-25
基金:国家自然科学基金项目(编号：41472090,40472065,49802012)资助
摘要

两种气体,氮气和氧气,以压倒优势的状态主导着地球的大气圈。氮气是原生的,而且其存在和丰度不是生物过程所驱动的;相反,氧气是生物通过水的氧化作用而连续产生的,这个氧化作用得到了太阳光的能量驱动。氧气,一种对动物生命进化最为关键的气体,是如何变成大气圈中丰度第 2的气体?问题并非以前所设想的那么简单;为了了解大气圈氧化的时间进程,我们不但要知道氧气是什么时候而且是如何第 1次出现的,而且还要知道氧气是如何在大气圈中保持一个高浓度的。可以肯定的 2个事实是:地球最早期的大气圈是缺乏氧气的,而今天的大气圈则为 21%的氧气所组成。需要特别强调的是,大多数古代大气圈氧气水平的地质标志,只是意味着存在与缺乏,而且发生在以下 2个时间点的大多数事件是高度不肯定的;但是,一系列地质证据已经表明,大气圈氧气含量水平上升的时间进程发生在 2个时间点上:( 1)一个从缺氧的到含氧的大气圈的转变,大致发生在 2.0~2.5, Ga期间,这个转变就是著名的巨型氧化作用事件( GOE);( 2)发生在前寒武纪—寒武纪过渡时期的大约 540~850, Ma的第 2次巨型氧化作用事件( GOE-Ⅱ),被进一步命名为新元古代氧化作用事件( NOE)。 GOE与 NOE,就得出了地球大气圈氧气含量水平上升三段式的盛行图像。随着研究的深入,得到了以下重要认识:如果说大气圈氧气含量的总体增加,从太古宙微不足道的水平增加到今天 21%,是由于氧气生产作用增强的结果而代表了一个复杂的地球生物学过程的话,那么,这个过程则发生在随着侵蚀作用与沉积作用相对于火山活动而变得更加重要的状况下,更进一步讲,叠加在这个总体趋势下的则是一系列的阶梯式的氧气含量水平上升,这与超大陆聚合作用之后异常高的沉积作用周期是相联系的,从而进一步说明了大气圈氧气含量水平上升是与地球动力学过程紧密相关的地球生物学过程的作用结果。大气圈氧气含量水平一系列的阶梯式的上升,被总结为 7个事件而与超大陆汇聚事件得到了良好的对比,从而提供了一个更加清晰的图像;也就是说,在超大陆汇聚作用之后,得到增强的沉积作用促进了大部分有机碳和黄铁矿的埋藏,因而阻碍了它们与自由氧的反应,结果就是大气圈氧气含量水平的实质性上升。新颖的观点和重要的认识,为深入理解地球大气圈氧气含量水平上升这一个重要的地球生物学过程,提供了重要的思考途径和研究线索;追索这些研究进展,将有助于揭开地球大气圈演变历史的神秘面纱并寻找出更多的科学研究生长点。

关键词: 时间进程; 氧气含量水平上升; 大气圈; 研究进展
中图分类号:P534 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)01-0001-20
Timing of the rise of atmospheric oxygen content level:A geobiological process that is closely and genetically related to the geodynamics
Mei Mingxiang, Meng Qingfen
School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083

About the first author Mei Mingxiang,born in 1965,was graduated from China University of Geosciences(Beijing) in 1993,and obtained Ph.D. degree. Now he is a professor at School of Earth Sciences and Resource,China University of Geosciences(Beijing),and is engaged in sedimentology and stratigraphy. E-mail: meimingxiang@263.net.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.:41472090,40472065,49802012)
Abstract

Earth’s atmosphere is overwhelmingly dominated by two types of gas: N2 and O2. The nitrogen(N2)is primordial,and its presence and abundance are not driven by biological processes. In contrast,the oxygen(O2)is continuously produced biologically via the oxidation of water driven by energy from the Sun. How did O2,a gas critical to the evolution of animal life,become the second most abundant gas on Earth?The problem is not as simple as it might first appear. In order to understand this problem,we must know not only how and when O2 was first generated,but also how it came to persist in high concentrations in the atmosphere. Two facts are known with certainty,that are,Earth’s earliest atmosphere was essentially devoid of oxygen;and today’s 21% of atmosphere is composed of oxygen. It should be emphasized that most geological indicators of ancient atmospheric oxygen levels imply only presence or absence and that most of the events that took place between those following two time points are highly uncertain. A battery of geological indicators suggests the timing of the rise of atmosphere oxygen occurred at following time points:(1)A shift from an anoxic to an oxic atmosphere some time between 2.5 and 2.0 billion years ago,which is known as the Great Oxidation Event(GOE);(2)A second‘Great Oxidation Event’ during the Precambrian-Cambrian transition between about 0.85 and 0.54 billion years ago(GOE-Ⅱ),which is herewith referred to as the Neoproterozoic Oxygenation Event(NOE). Both the GOE and the NOE lead to a prevailing view of atmospheric oxygen evolution over time that is marked by a three durations for the atmospheric oxygen level. Following important cognitions are gained with the further research. If the overall increase in atmospheric O2,from negligible in the early Archaean to 21% today,was due to the increasing oxygen production as erosion and sedimentation became increasingly important relative to volcanic activity,so, the series of step increases in O2, associated with periods of anomalously high sedimentation following supercontinent amalgamation,superimposed on this overall trend, which demonstrates that the rise of atmospheric oxygen is resulted from the sophisticated geobiological process that is closely genetically related to geodynamics. The stepwise rise for the atmospheric oxygen is further grouped into 7 events that can be correlated with the period after the supercontinent amalgamation in the history of the Earth,which provides a more clear view;importantly,enhanced sedimentation during these periods promoted the burial of a high fraction of organic carbon and pyrite,thus preventing their reaction with free oxygen,and leading to sustained increases in atmospheric oxygen. Both novel viewpoints and important cognitions provide many important thinking approaches and researching clues for the further understanding of the geobiological process for the rise of atmospheric oxygen. Therefore,tracing these research advances on the study of rise of atmospheric oxygen is helpful to drive new research that will unveil new truths about the evolutionary history of the atmosphere of our planet.

Key words: timing; rise of oxygen content level; atmosphere; research advance
1 引言

基本的事实表明, 氮气和氧气以压倒优势的状态主导着地球的大气圈。大气圈中的氮气, 属于一种惰性气体, 这种气体在大气圈中的存在和丰度, 不受生物过程所驱使, 而且具有可达100, Ma的大气圈生命周期(Berner et al., 2003; Berner, 2006)。因此, 化学家曾经假设到, 大气圈中氮气的量, 自从地球在大约4.6, Ga形成以来, 一直是保持恒定的。相反, 大气圈中的氧气, 大多数是生物通过水的氧化作用而连续产生的, 这个氧化作用得到了太阳光的能量驱动, 这就是有名的光合作用, 如果没有一个连续性来源, 氧气会变得快速亏损(Keeling et al., 1993); 与氮气不同的是, 氧气是高度反应的气体, 在地球的早期大气圈中这种气体肯定不存在, 所具有的大气圈生命周期大致只有4, Ma(Berner et al., 2003; Berner, 2006)。虽然只是具有相对较短的生命周期, 但是, 在过去的大约500, Ma, 氧气构成了大气圈体积的10%~30%。由于常常与地幔中的还原剂进行普遍而且实质性的化学反应, 所以说, 氧气存在于极为不平衡的热力学状态中。实际上, 在太阳系内的这个行星上, 氧气所具有的较高浓度是非常独特的, 而且在太阳系内的大约20秒差距(parsec)内的其他行星上还没有发现过氧气, 就充分表明了这一点(Kasting, 1993)。地球大气圈中氧气气体较高浓度的存在, 现在已经被认为是其他类地行星上无可辩驳的生命标志。为什么氧气气体在地球大气圈、水圈和地面如此丰富, 然而在太阳系内乃至以外的其他行星上如此缺乏?这个问题的原因和机理, 还没有得到较好的了解(Falkowski and Godfrey, 2008; Falkowski and Isozaki, 2008)。

氧气, 一种对动物生命进化最为关键的气体, 是如何变成大气圈中丰度第2的气体?这个复杂的故事, 并非以前所设想的那么简单, 就像Kump(2008)的设想那样。为了了解这个变化, 我们不但要知道氧气是什么时候而且是如何第1次出现的, 而且还要知道氧气是如何在大气圈中保持一个高浓度的(Falkowski and Isozaki, 2008; Falkowski and Godfrey, 2008)。可以肯定的2个事实是:(1)早期地球的大气圈是缺乏氧气的; (2)今天的大气圈21%为氧气所组成(Kump, 2008)。在地球历史长河中, 大气圈氧化状态的增强, 虽然得到了较好的证实, 但是对这个过程形成的原因和机理, 还不太清楚(Holland, 2009)。

长期的持续性研究所获得的一系列地质证据表明, 大气圈氧气含量水平上升的时间进程发生在2个时间点上(梅冥相, 2010; Eriksson et al., 2010):(1)一个从缺氧到含氧大气圈的转变, 大致发生在2.0~2.5, Ga期间, 这个转变就是著名的巨型氧化作用事件(GOE; Kirschvink et al., 2000; Canfield, 2005); (2)发生在前寒武纪— 寒武纪过渡时期、大约540~850, Ma期间的第2次巨型氧化作用事件(GOE-Ⅱ ), 被进一步命名为新元古代氧化作用事件(NOE; Canfield, 2005; Campbell and Allen, 2008; Holland, 2009; Campbell and Squire, 2010; Kump et al., 2011; Grotzinger et al., 2011; Shields-Zhou and Och, 2011; Tzipermana et al., 2011; Och and Shields-Zhou, 2012; Sperlinga et al., 2013)。因此, GOE与NOE, 产生了一个地球大气圈氧气含量水平上升三段式的盛行图像, 这个盛行的图像为深入了解地球大气圈氧气含量上升的时间进程提供了一个简单明了而且富有智慧的线索。

虽然火山气体如CO2、SO2和H2O的再循环过程和脱气过程的简单模型, 可以用来解释大气圈氧化作用主要步骤中的很多步骤(Holland, 2009), 但是, 从地球动力学过程出发, 所识别出的7个大气圈氧气含量增加事件, 与造山事件之间存在着惊人的可对比性, 从而进一步表明, 造山事件的时间表, 超过亿年, 总体上与氧气含量水平上升的步骤相对应(Campbell and Allen, 2008), 从而提供了一个更加清晰的图像。

地球上压倒优势的氧气来源, 是水的光合生物氧化作用(photobiological oxidation; 徐桂荣等, 2005; 梅冥相和高金汉, 2015); 也就是说, 今天地球上的大多数氧气, 是复杂的地球生物学过程(殷鸿福等, 2004; 谢树成等, 2011; 梅冥相, 2012, 2014)的结果, 而且这个复杂的地球生物学过程与复杂的地球动力学过程存在着成因关联, 最终形成了今天可居住的地球(Falkowski and Godfrey, 2008; Falkowski and Isozaki, 2008; Kump, 2008; Kump et al., 2011)。

针对造成大气圈氧气含量水平上升的地球生物学过程, 许多细节问题可能已经消失在时间的长河中, 如:(1)光合作用生命起源的时代标定(徐桂荣等, 2005; Buick, 2008; Farquhar et al., 2010; Blank and SNchez-Baracaldo, 2010; Payne et al., 2011; Schopf, 2011); (2)生命获取光合作用装置的基本生物学过程(Olson and Blankenship, 2004; Olson et al., 2013); (3)被誉称为“ 大气圈麦克斯韦守护神” 的关键光合作用催化剂谜一样的起源(Nisbet et al., 2007); (4)不生氧光合作用向生氧光合作用转变的时间点(Nisbet et al., 2007)等等。大气圈氧气含量水平的上升确实是生命历史的一个里程碑, 作为地球大气圈的一个有重要意义的构成, 分子氧(O2)出现的时间, 对于生物圈和地圈来讲是一个史诗般的时间, 而且铺平了动物进化的道路; 但是, 具有讽刺意味的是, 氧气是在什么时候而且是通过什么途径聚集在地球上, 还是一个谜一样的问题(Sessions et al., 2009)。

古元古代的GOE(Kirschvink et al., 2000; Canfield, 2005), 以及新元古代的NOE(Kump et al., 2011; Grotzinger et al., 2011; Shields-Zhou and Och, 2011; Tzipermana et al., 2011; Czaja et al., 2012; Och and Shields-Zhou, 2012; Sperlinga et al., 2013), 为了解地球大气圈的氧气含量水平上升的时间进程提供了非常重要的线索, 但是, 这些巨型氧化事件形成机理, 还没有肯定的答案。例如, 在GOE之前一个缺氧的大气圈之下, 太古宙阵发式出现的氧气(Anbar et al., 2007)和氧气绿洲(Allwood et al., 2006; Awramik, 2006; Hoashi et al., 2009; Crowe et al., 2013; Riding et al., 2014; 梅冥相和孟庆芬, 2015)的神秘现象, 表明了生氧光合作用可以老到3.5, Ga之前, 与GOE间隔了长达1.0, Ga, 进一步表明发生在2.0~2.5, Ga期间的GOE的神秘性和复杂的起因。问题的提出, 将成为今后深入研究与调查的线索和驱动力, 也有助于揭开地球大气圈演变历史的神秘面纱并寻找出更多的科学研究生长点。

2 氧元素与氧气在地球上的赋存状态
2.1 氧元素的地球化学行为

在宇宙中, 氧是含量第3丰富的元素(排在氢和氦之后; Anders and Grevesse, 1989), 按照重量计算氧还是地球的地壳中最丰富的元素(Barrow and Tipler, 1986)。元素氧(O), 是通过所谓的“ 主线” 核反应序列所产生的, 这个核反应序列形成于热星(hot star)中序列式的4He聚变反应。与其他元素结合在一起, 氧被输送到早期的地球上。通过加热和变冷的序列式循环过程, 氧与硅和碳反应, 形成2种主要的阴离子, 这样的阴离子与金属阳离子结合在一起, 构成了地壳和地幔的基本物质, 而且与氢(H)反应形成水(Holland, 1984)。另外的水, 可能是通过陨星和彗星输送到行星地球表面。不管其来源如何, 同位素数据表明, 地球表面在行星增生之后约200, Ma就含有液态水(Falkowski and Godfrey, 2008; Falkowski and Isozaki, 2008)。

对于生命来说, 液态水是必要条件, 但是, 对于生物产生氧气来说则不是一个充分条件。所以, 早期地球上代表着氧元素特殊赋存状态的水, 可能存在着3个可能的来源(Van Kranendonk et al., 2012):(1)含水的岩石质的星子, 与碳质球粒陨石相似; (2)富含冰的星子, 诸如彗星; (3)太阳雾气。现在得到广泛接受的认识是, 水的添加是富含冰的小行星所施加的, 而且这个施加过程通过木星的重力影响扰动了地球的轨道(Albarè de and Blichert-Toft, 2007; Kramers, 2007)。科学家们还进一步认识到, 岩浆海洋的固态化作用, 导致了来自于地幔的CO2和 H2O的脱气过程, 在早期产生了一个富含二氧化碳的大气圈; 后来形成的海洋, 将随着致密的而且超临界的H2O凝缩作用的开始而形成, 这个复杂的过程大致发生在(450± 20), ℃的条件下。当地表温度降到300, ℃的时候, 在海洋形成期间, 随着一个致密的而且超临界的H2O-CO2的混合作用, CO2就会从大气圈中被消除(Liu, 2004)。尽管海洋和大气圈可能形成在地球进化的早期, 但是, 发生在4.1~4.3, Ga期间产生海洋— 水蒸气过程的撞击事件(撞击者的直径大致为440, km), 以至于在这个事件之前, 不可能在地球上产生一个有利于生命(或者至少是现在生命的前体)起源的环境或条件(Kasting and Catling, 2003)。

2.2 分子氧(O2)的地球生物学行为

虽然水可以通过紫外光产生其本身的构成元素, 但是, 这个反应只能够产生极低的氧气浓度, 这是因为强烈的负反馈效应所致。地球上压倒优势的氧气来源, 还是水的光合生物氧化作用(photobiological oxidation), 尽管对这个过程的进化与机制没有得到充分的了解(Nisbet et al., 2007; Falkowski and Godfrey, 2008; Falkowski and Isozaki, 2008; Olson et al., 2013; Riding et al., 2014; 梅冥相和孟庆芬, 2015)。很明显, 这样的生物曾经起源于细菌的一个单独的进化分支, 而且通过一个单一的事件而得到利用, 在其中一个细胞吞吃了另一个细胞(内共生体)而形成一个新的共生生物, 这个新的共生生物就成为所有光合作用真核生物的前体, 包括藻类生物和植物(Blankenship et al. 2007; Falkowski and Godfrey, 2008; Falkowski and Isozaki, 2008)。光养生物, 以光作为能量来源, 运用二氧化碳和水合成碳氢化合物并释放氧气, 而且将氧气作为副产品, 这就是著名的生氧光合作用(Oxygenic photosynthesis)。究竟什么过程产生了生氧光合作用, 这种能量转换无疑是自然界中最为复杂的过程。在年到千年的时间尺度内, 生氧光合作用与呼吸作用的逆反应过程紧密耦合, 结果, 纯粹的氧气产生实质上近于零; 也就是说, 如果没有岩石中的有机质的埋藏, 在大气圈中就只有少量自由的氧气。因此, 生氧光合作用的进化是地球大气圈氧化的必要、但不是充分的条件。

大气圈纯粹的氧化作用, 要求还原剂的长时间储存, 主要是有机碳的长时间储存; 当然, 还原剂最大的储库是地球的地壳。有机碳埋藏的主要机制, 是增生到克拉通(稳定的大陆)上的沉积作用, 在较小的作用范围和程度内, 俯冲作用可将有机碳带入深深的地幔。这些过程就得到了板块构造的驱动, 在这些过程中, 放射性的热源驱动着地球内部的地幔回流, 允许大陆碰撞和分离而形成新的海洋盆地。在这些循环性的碰撞过程和分离过程期间, 大洋板块最终俯冲到大陆之下, 一部分埋藏在沉积物中的有机质将受到构造作用而增添到大陆上, 形成造山带而增加了大陆的质量。实际上, 除非大部分有机质储存在海相沉积物之中, 而且被进一步稳定在克拉通中, 否则, 有机质还可以俯冲、加热而通过火山作用部分返排在大气圈中, 在这里再次被氧化(Falkowski and Godfrey, 2008; Falkowski and Isozaki, 2008)。因此, 有机质埋藏, 包括形成于水的生物氧化作用的还原性对等物, 意味着存在一个纯粹的大气圈的氧化作用。氧气在大气圈中的存在, 要求一个生氧光合作用与厌氧呼吸作用之间在千年尺度上的不平衡; 因此, 为了产生一个氧化的大气圈, 就要求更多的有机质被埋藏和较少的有机质被呼吸作用消耗掉。要特别强调的是, 对氧气如何进入地球大气圈的实质部分, 只是具有一个宽泛的了解; 但是, 很多细节问题确实是很粗略的, 在生氧光合作用期间产生水分解的过程与机制还不清楚, 也不知道究竟是什么控制了地球的大气圈气体的浓度(Blankenship et al., 2007; Falkowski and Godfrey, 2008; Falkowski and Isozaki, 2008)。

3 元古宙巨型氧化作用事件与大气圈氧气含量水平上升的时间进程
3.1 大气圈氧气含量水平上升的识别标志

当生氧光合作用是主要的氧气来源的时候, 要注意的是地球上还存在多重性的还原性环境储库, 最明显的是还原性的碳、铁和硫, 所以说, 有机质的再次氧化作用, 从化学计量上讲, 与生光合作用呈负相关关系, 以至于氧气在地表聚集的第1要求, 就是地质时代表尺度的还原性有机碳的埋藏。有机碳的埋藏过程, 在前寒武纪的效率明显要低于现代, 这主要是缺乏生物矿化作用的结果, 因为在现代海洋中生物矿化作用为颗粒沉落过程提供了铺路石(Logan et al., 1995)。第2个要求是, 氧气的生产作用, 必须超过地球动力学过程造成的地球深部还原性无机物种(如还原性的碳、铁和硫)的生产作用, 因为来自于地幔的还原性铁和硫的通量, 主要发生在火山和洋中脊, 而且在早期地球上曾经大规模限制了(或阻碍了)氧气的聚集作用(Kump and Seyfried, 2005; Holland, 2006)。

虽然围绕着古代氧气水平的估计, 还存在很大的不确定性, 但是, 关于大气圈氧化作用的时间进程和粗略样式, 现在取得的总体一致的认识是:最早期的地球大气圈肯定是缺氧的, 其氧气含量水平肯定要小于现代大气圈的水平(PAL)的0.1%, 而且可能更低(小于10-5 PAL; Pavlov and Kasting, 2002)。要注意的是, 支持这个结论的证据, 没有排除在微生物席中、或地球表面水体中的小型氧气绿洲(梅冥相, 2007, 2011a, 2011b, 2012, 2014; Hoashi et al., 2009; Crowe et al., 2013; Olson et al., 2013; Riding et al., 2014; 梅冥相和孟庆芬, 2015)存在的可能性。在2.45, Ga左右, 大气圈氧气含量水平快速上升, 实质上可能只是达到了百分之几的PAL; 由于明显的上升速度和奇特的属性, 这个时间段就成为有名的古元古代巨型氧化作用事件(GOE)。还认为在0.6~0.8, Ga期间, 大气圈氧气水平发生了第2次增加(Canfield and Teske, 1996), 伴随着这次事件的是深部大洋的氧化作用和多细胞动物的出现, 这就是新元古代巨型氧化作用事件(NOE; Canfield, 2005; Campbell and Allen, 2008; Holland, 2009; Campbell and Squire, 2010; Kump et al., 2011; Grotzinger et al., 2011; Shields-Zhou and Och, 2011; Tzipermana et al., 2011; Och and Shields-Zhou, 2012; Sperlinga et al., 2013)。大致在500, Ma左右, 氧气可能接近现代水平(21%), 而且自从500, Ma来波动在15%~35%之间(Berner et al., 2003; Berner, 2006)。

就像Campbell和Squire(2010)所总结的那样, 经过许多学者的持续性研究, 科学家们发现, 3个过程可以产生氧气:(1)紫外光造成的水的分解作用; (2)生氧光合作用; (3)生物成因的黄铁矿的形成作用。负反馈已经说明, 第1个过程是无效的, 而且可以认为是一个可以忽略的氧气来源。最为重要的氧气来源, 是生氧光合作用, 发生在产生了一个二氧化碳与水的还原反应期间, 这个还原反应将产生有机碳和氧气, 运用光作为能量来源。有机碳也能够还原硫酸盐而形成生物成因的黄铁矿, 产生1摩尔的黄铁矿, 就几乎可以产生大约4摩尔的氧气(Canfield, 2005)。

尽管反映古代大气圈氧气水平的大多数地质标志只是意味着存在与缺乏, 但是, 地质学家们还是富有智慧地总结出一些令人耳目一新的标志(Kump, 2008; Kump et al., 2011): (1)当氧气水平达到现代大气圈水平(present atmospheric level; PAL)的0.001%的时候, 独立于质量的硫同位素分馏作用(S-MIF)就会消失(Pavlov and Kasting, 2002; Guo et al., 2009); (2)当氧气处在1% PAL的时候, 铁就可以保持在古代石化的土壤中; (3)中元古代(1.8~0.5, Ga)海洋的持续缺氧, 已经被证明所要求的氧气要处在40% PAL的水平上下(Canfield, 2005); (3)只有当大气圈含氧量水平处在60% PAL水平的时候, 火才能够持续, 所以说, 在过去450, Ma以来, 木炭化石或多或少的连续性记录, 将这个值设置为地球上森林出现以来的大气圈氧气含量水平的下限; (4)有趣的例外是中泥盆世到晚泥盆世, 大约380, Ma前后, 表现出一个与海水广泛缺氧相重合的木炭化石缺乏的间隔, 表明了与前后时代相比较的一个较低大气圈氧气含量水平(Scott and Glasspool, 2006); (5)其他可用的氧化— 还原标志来自于海相沉积物, 这要求那些影响深部大洋氧气水平的内在海洋过程, 在大气圈氧气水平能够被推断出之前可以被解开; (6)一个有前景的重建古代大气圈含氧量水平的途径是, 氧气对碳— 氧同位素的影响(Berner et al., 2003; Berner, 2006), 但是, 这个信号常常与其他影响植物与藻类生物中的同位素差异的因素搅在一起。

特别有趣的是, 在生物圈中, 氧气的可用性, 在生物进化过程之中起着关键性的作用, 因为缺氧可以作为真核生物多样性一个明显的环境障碍, 而且特别是对于那些大型的而且新陈代谢活跃的动物来说, 更是如此(Knoll and Carroll, 1999)。传统上讲, 生物圈的氧化作用曾经受到进化里程碑式的标志的约束, 这样的标志, 已经被理解为孤立的古元古代和新元古代巨型氧化作用事件(GOE和NOE; Kirschvink et al., 2000; Canfield, 2005; Catling and Claire, 2005; Campbell and Allen, 2008; Holland, 2009; Campbell and Squire, 2010; Kump et al., 2011; Grotzinger et al., 2011; Shields-Zhou and Och, 2011; Tzipermana et al., 2011; Och and Shields-Zhou, 2012; Sperlinga et al., 2013)。更为重要的是, 4个生理学的“ 阈限” 已经从进化范畴中提出, 而且被用来估计生物圈中的氧气浓度(Kah and Bartley, 2011):(1)固醇的真核生物合成, 这是一种能加硬细胞膜的物质, 而且被保存为那些被称为菑烷(steranes)的生命标志物, 需要分子氧; (2)卷曲藻(Grypania)及其相似形态型的化石, 可能需要一个至少相当于1% PAL的氧气水平; (3)那些缺乏结构循环体系的后生动物的氧气吸收, 诸如埃迪卡拉纪的狄更迅水母(Dickinsonia), 要求一个1%~3% PAL的氧气水平, 如果特化到适应一个贫氧条件的话, 则可能需要一个会高达10% PAL的氧气水平, 这主要基于新陈代谢能量产生的理论计算(Catling et al., 2005); (4)胶原蛋白的生物合成, 这对于生物矿化作用是非常关键的机制, 可能要求一个大于 10% PAL的氧气水平。

图1 元古宙海洋与大气圈的重要变化Fig.1 Some important changes of both the marine and atmosphere during the Proterozoic

元古宙确实是一个承前启后的重要地质历史时期, 碳同位素曲线所表征的碳循环的剧烈波动, 发生在元古宙早期和晚期, 尽管对其形成原因还需要进一步研究, 但是, 这个特征性的碳同位素曲线(图 1-A), 可以将元古宙海洋的碳循环状态形象化地划分为:(1) 早期(2000~2420, Ma)“ 咆哮的400, Ma” ; (2) 过渡时期(800~1850, Ma)“ 令人烦恼的1000, Ma(Boring Billion)” ; (3)元古宙晚期“ 咆哮的300, Ma(Roaring 300, Ma; Holland, 2009)” 。同时, 与元古宙早期和晚期强烈的碳循环波动(图 1-A)对应的是, 为大气圈明显的巨型氧化作用事件, 以及一个盛行的三段式大气圈氧气含量水平的上升图像(图 1-B; Kump, 2008; Campbell and Squire, 2010; Kump et al., 2011; Och and Shields-Zhou, 2012)。在这样复杂变化的背景之下, 从一个太古宙时期的还原状态的海洋, 一直延续到大约1780, Ma条带状铁建造的消失; 从中元古代到新元古代的大部分时期, 则是一个硫化(还原和硫化)的海洋, 大致在550, Ma, 才变成一个氧化的海洋(Anbar and Knoll, 2002; Anbar and Rouxel, 2007; Holland, 2009; Van Kranendonk et al., 2012)。同时, 与上述海洋与大气圈巨大变化对应的是, 生物圈经历了一个从真核生物的起源、多样化到复杂的多细胞动物起源的复杂过程(Knoll et al., 2004; Narbonne et al., 2012)。

3.2 元古宙早期的巨型氧化作用事件(GOE)

一系列地质证据已经表明, 一个从缺氧到含氧大气圈的转变, 大致发生在2.0~2.5, Ga期间, 这就是著名的古元古代巨型氧化作用事件(GOE; 图1-B; Kirschvink et al., 2000; Canfield, 2005)。发生在这个地质历史时期的大气圈氧气含量水平上升的幅度和范围, 已经取得了以下重要的信息和认识:(1)在大致2.5, Ga, 大气圈的氧气含量逐渐穿越了一个可以氧化黄铁矿的较低的水平阀值(10-8 PAL至 10-5 PAL); (2)在2.3~2.4, Ga期间, 达到了现代大气圈含量水平(PAL)的10-5以上(Kirschvink et al., 2000; Young, 2002; Canfield, 2005), 甚至达到了百分之几的PAL(Sessions et al., 2009); (3)在2.0~2.1, Ga期间, 还可能达到1% PAL(Kump, 2008; Kump et al., 2011)。总的来讲, 在大致2.4, Ga, 处在大约10-5 PAL的水平, 则经历了独立于质量的硫同位素分馏作用(S-MIF)的损耗, 然后是一个穿越古元古代日益增长的大气圈氧气含量水平上升速率; 在2.0, Ga, 最终达到一个1% PAL的水平(Kump, 2008; Kump et al., 2011)。GOE代表的大气圈氧气含量水平的明显上升, 确实代表了生命历史的一个里程碑, 因为氧气是生物过程尤其是生氧光合作用过程的建造物; 所以说, GOE确实是一个与地球动力学过程相关联的地球生物学过程。

元古宙早期GOE的起因, 还在强烈争论着, 所提出的假说包括:(1)地幔气体氧化— 还原状态的变化(Kump and Barley, 2007); (2)海水营养物供应(Campbell and Allen, 2008)或氧气储库的减小(Bjerrum and Canfield, 2002); (3)2个反馈式的稳定状态的转变(Goldblatt et al., 2006); (4)大气圈甲烷含量的减小(Zahnle et al., 2006; Konhauser et al., 2009), 也就是说, 大气圈的氧气含量水平的上升是甲烷温室效应大气圈崩溃的结果; (5)生氧光合作用本身的进化(Kopp et al., 2005), 具体讲, 在2.4, Ga之前, 蓝细菌局限在淡水环境, 之后, 进入海水环境并多样化(Blank and Snchez-Baracaldo, 2010), 最终导致大气圈氧气含量的上升。大致在1.8, Ga以后, 大气圈氧气含量水平似乎变得稳定, 稳定在5%~18% PAL的水平上(Canfield, 2005; Kump et al., 2007; Holland, 2009; Kump et al., 2011), 然而深部大洋还是保持一个缺氧状态。

尽管还存在许多需要进一步研究的细节问题, 但是, 下列富有智慧的认识表明, 元古宙早期的GOE, 是与复杂的地球动力学过程存在关联的地球生物学过程的结果:(1)陆上火山活动及其更加具有氧化性的气体(就是二氧化硫)的增加, 会导致大气圈的氧气含量水平上升, 这反映了大陆的成熟作用(Kump and Barley 2007), 这个认识被Holland(2009)所推崇, 认为大气圈氧化作用状态的逐渐增强产生于火山气体中的CO2/H2O 以及 SO2/H2O值的增加; (2)Konhauser等(2009)认为, 海洋中镍的亏损, 是科马提岩火山活动变弱和地幔温度变冷的函数, 这将造成产甲烷微生物的窒息, 从而在氧气含量水平上升之前或者在相同时代, 大气圈甲烷含量的降低; (3)与超大陆汇聚相关的超级山链, 将很快被侵蚀而且向海洋释放出大量的营养物如铁和磷, 从而导致了藻类生物和蓝细菌的爆发, 因而造成明显的光合作用强度增大, 最终导致了氧气的光合作用生产的增强, 而且在这样的时期得到增强的沉积作用促进了大部分有机碳和黄铁矿的埋藏, 从而阻碍了它们与自由氧的反应, 结果就是大气圈氧气水平的实质性上升(Campbell and Allen, 2008)。因此, 就像Melezhik(2006)所认识到的那样, 古元古代大气圈的氧气含量水平上升, 与同时代冰川作用即休伦冰期存在着重叠式发育的特点。

δ 56Fe值在元古宙早期的变化, 也支持了GOE代表的大气圈氧气含量的上升, 表现在:(1)在2.3~2.5, Ga期间, 异化的铁还原作用(DIR)受到压制(Johnson et al., 2008a, 2008b), 因为随着细菌硫酸盐还原反应(BSR)活动的加强, 将会造成海水硫化物含量的增加, 硫化物含量的增加会滴定铁元素, 造成支撑DIR的铁的可用性降低; (2)在大致2.4, Ga之后, δ 34S值的增加, 记录了海水硫酸盐含量的增加; (3)在大致2.3, Ga, 即大气圈氧气含量水平的初始上升之后, 海水的δ 56Fe值演变成接近于零的状况, 这正好是处在一个含氧气的大气圈之下的特征性标志(Rouxel et al., 2005; Anbar et al., 2007)。

真核生物的主要进化和发展, 发生在1.8~2.1, Ga, 这可能是在大气圈的氧气水平增加到1%~2% PAL的时候, 真核生物获得了叶绿体的结果(Knoll, 1992)。尽管确切的时间点还难以确定, 但是, 伴随着大气圈氧气含量水平的上升, 元古宙早期(或太古宙晚期)真核生物起源, 确实是一次重要的地球生物学事件。在中元古代的1.4~1.5, Ga, 很明显来自于宏观化石和微化石证据均表明了真核生物开始多样化, 而且在1.2, Ga左右, 化石记录表现出明显的真核生物多样性; 微化石证据还表明, 推测的菌类亲缘关系和陆生微生物群落, 发育在更加氧化的环境之中(Knoll, 1992, 2013; Javaux et al., 2004; Parnell et al., 2010)。Buick(2007)还推断到, 在有效的铜缺乏的情况下, N2O可能逃逸到大气圈, 这种强有力的温室效应气体的持续供应, 可能有助于中元古代前后十亿多年, 即在图1-A所示的“ 令人烦恼的10× 108年” 前后, 免于大陆冰席的覆盖(Knoll, 2013)。

3.3 新元古代巨型氧化作用事件(NOE)

大致持续在800~1850, Ma, 在经历了几乎1000, Ma的“ 间隙(令人烦恼的1000, Ma(Boring Billion); Holland, 2009)” 之后, 地球进入了第2个主要的元古宙环境不稳定时期; 与中元古代令人烦恼的1000, Ma(Boring Billion)形成对照, 元古宙的最后300, Ma, 被称作“ 咆哮的300, Ma(图 1-A; Roaring 300, Ma; Holland, 2009)” , 反映在碳同位素异常事件的巨大变化之中。

被称作“ 咆哮的300, Ma” , 大致从成冰纪晚期到埃迪卡拉纪, 氧气含量水平肯定明显上升, 大气圈的氧气含量水平被认为从5%~10% PAL增加到60%~100% PAL(Canfield, 2005), 形成新元古代巨型氧化作用事件(NOE; 图1-B; Kump, 2008; Campbell and Squire, 2010; Kump et al., 2011; Och and Shields-Zhou, 2012); 这次明显的氧气含量水平的上升, 可能是具有较高新陈代谢速率的动物进化的主要控制因素(Sessions et al., 2009; Holland, 2009; Grotzinger et al., 2011; Och and Shields-Zhou, 2012; Van Kranendonk et al., 2012; Sperlinga et al., 2013)。

要特别指出的是, NOE表征的新元古代巨大转变, 代表了全球性碳循环的所有方面的一级变化(风化过程、生物扰动作用、碳的埋藏、有机生产率、氧化— 还原状态), 但是, 它们的结果和复杂的相互作用机制, 还有待于探索与研究(Och and Shields-Zhou, 2012)。虽然元古宙早期的GOE的概念已经广泛接受, 但是, 由于针对新元古代NOE的时间进程和变化程度的约束较少, 从而产生了一些争议; NOE合适的证据, 包括大规模气候波动的背景、与罗迪利亚超大陆裂解和冈瓦纳大陆再次汇聚相关的构造抬升, 还有是埃迪卡拉纪生物群和寒武纪“ 大爆发” 所反映的主要的生物革新(Och and Shields-Zhou, 2012; Sperlinga et al., 2013)。总体较高的δ 13C值, 可能是有机碳埋藏的结果, 而且有机碳埋藏的加强, 又是地球表面环境在大约800, Ma之后, 氧化能力释放的结果; 在大约580, Ma之后, 极端的δ 13C负值的全球性记录, 强烈表明了可溶有机碳储库(DOC)的氧化作用, 其中在555, Ma的峰值, 与埃迪卡拉纪宏体生物群的突然多样化事件相重合。朝向新元古代与寒武纪界限, 87Sr/86Sr 值的增大, 表明了大陆风化过程的增强, 为新元古代晚期较高的有机生产作用和埋藏过程提供了有利条件。

大气圈与海洋中的氧气历史, 一直引起科学家的兴趣, 没有任何一个长周期变化轨迹具有如此的吸引力, 尤其是针对早期动物进化的环境约束的关注(Knoll, 2013)。地球化学证据表明, 对于元古宙的大部分时期, 甚至在最富集氧气的环境中也是强烈缺氧的, 而且持续缺氧的水体在海洋深部是非常普遍的; 越来越多的证据表明, 地球化学数据支持了以下假说, 即更加持续氧化的海洋, 只是到了埃迪卡拉纪(541~635, Ma)才真正出现, 更有可能是在560~580, Ma之后(Li et al., 2010; Johnston et al., 2012); 就其本身而言, 这与分子钟所估计到的800, Ma开始了动物多样性并不矛盾(Erwin et al., 2011), 但是, 这个状况确实约束了适用于最早期动物的进食样式和生物体构制(Knoll, 2013)。对于成冰纪到埃迪卡拉纪中期的任何双侧动物世系来说, 没有见到任何肉食性的证据; 假定生态与物理环境是紧密联系的, 就有可能肉食动物的起源, 一种新陈代谢昂贵的觅食策略, 可能受到氧气含量水平上升的驱动(Erwin et al., 2011; Sperlinga et al., 2013)。

新元古代巨型氧化作用事件(NOE)之后, 在600, Ma左右, 即在新元古代晚期, 大气圈的氧气分压才接近现代的水平(Berner et al., 2003; Canfield et al., 2007); 大气圈氧气水平在整个显生宙的变化, 所具有的变化是在石炭纪晚期接近一个峰值为150% PAL(大气圈氧气含量达到了31%), 在侏罗纪早期处于一个低值为60% PAL(大气圈氧气的含量为12%), 然后上升到现代的水平(21%)。Berner(2006)长期研究的结果表明, 由于陆生植物的扩张所造成的风化作用速度的增加, 会加强埋藏有机碳的保存而抗拒微生物对有机碳的降解和破坏; 大量褐煤的埋藏, 在石炭纪和二叠纪煤系地层中较为普遍, 也可能是造成350~275, Ma氧气增加的主要原因(Berner, 2006), 从而导致了从泥盆纪到石炭纪的大气圈二氧化碳含量的主要下降事件, 并产生了全球性的变冷过程和相应的大气圈氧气含量水平上升, 而且在地球历史中唯一一次高于现代大气圈氧气含量水平的时期, 还与泛大陆汇聚作用存在着关联(Campbell and Allen, 2008; Och and Shields-Zhou, 2012); 相似地, 在白垩纪之后被子植物的扩张, 至少部分影响了新近纪晚期的全球变冷过程和相应的大气圈氧气含量水平上升, 4千万年以来到现在的氧气含量水平上升, 似乎与喜马拉雅山脉的隆升存在着一些联系(Berner, 2006; Campbell and Allen, 2008; Campbell and Squire, 2010)。大气圈氧气含量水平在260~360, Ma的上升, 那个时期节肢动物和爬行状动物的巨型畸形动物的发育, 支持了这个认识(Graham et al., 1995; Dudley, 1998; Payne et al., 2011); 相似的情况是, 哺乳动物的个体大小, 在古近纪的增大, 也归因于大气圈氧气含量水平的上升(Falkowski et al., 2005; Payne et al., 2011)。氧气可用性的增加可能会促进哺乳动物的辐射(Butterfield, 2009; Payne et al., 2011), 就像NOE与动物后生起源和进化之间的复杂关系那样, 鸟类和哺乳动物的中生代进化、以及随后的大型有胎盘哺乳动物的始新世多样性, 可能得益于侏罗纪到现在的大气圈氧气含量水平增加双重过程(Falkowski et al. 2005)。这些现象以及所取得的一些富有智慧的认识表明, 伴随着地球动力学过程的变化, 光合作用生物繁盛造成的大气圈氧气含量水平上升, 是一个复杂的地球生物学过程(梅冥相, 2010, 2012, 2014; 梅冥相和刘少峰, 2013; 梅冥相和高金汉, 2015)。所以说, 古元古代的GOE与新元古代的NOE, 标定了前寒武纪2次实质性的大气圈氧气含量水平上升的路径, 形成了图1-B所示的大气圈氧气含量水平上升的三段式图像。

4 超大陆旋回与大气圈氧气含量水平上升的时间进程
4.1 超大陆旋回与大气圈氧气含量增加的基本作用机制

试图解释大气圈演化的假说, 大致包括2类:(1)一类是要求地幔的氧化状态随着时间的变化而增加(Holland, 2006, 2009), 这将导致火山气体的氧化状态的增加; (2)另外一类是依赖于氧气生产作用速率的变化。地幔随着时间的氧化状态的变化, 在理论上是不可能的, 因为在大陆地壳和大气圈中的可用的氧的质量(O 与Fe(Ⅲ )结合), 大致小于地幔中氧的质量的1%, 所以说从地壳和大气圈中萃取的氧, 对地幔的氧化作用状态不会产生检测性的影响, 在任何情况下将会造成更加还原的状态。更进一步讲, 太古宙玄武岩中钒和铬的含量, 与现代玄武岩相似, 说明了地幔的氧化作用状态保持恒定(Canil, 1997)。这就说明, 一个变化着的氧气生产速率, 才是大气圈氧气含量变化的最可能的成因, 要造成大气圈氧气含量的实质性变化, 无疑, 只有通过光合作用才能完成(Nisbet et al., 2007; Falkowski and Isozaki, 2008; Falkowski and Godfrey, 2008; Olson et al., 2013; Riding et al., 2014; 梅冥相和孟庆芬, 2015)。有机碳的产生, 还能够还原碳酸盐而产生黄铁矿, 从而导致一个纯粹的氧气释放; 如果有机碳由生氧光合作用或黄铁矿所产生, 而且在沉积作用期间被埋藏, 这样就不会与氧气发生逆反应, 那么, 最终将造成大气圈中的氧气浓度的上升(Canfield, 2005)。氧气的储库包括:(1)还原性火山气体如氢气、二氧化硫、硫化氢和一氧化碳的氧化作用; (2)在风化过程期间黄铁矿和有机碳的氧化作用; (3)在埋藏成岩作用和变质作用期间释放的还原性气体的氧化作用。在风化过程中, 消耗于氧化过程中的大气圈的氧气, 将在沉积作用和成岩作用期间恢复。

自由氧气的生产作用主要受到大陆架上的有机碳储存的控制, 因而与大陆的大小呈正比(Godderis and Veizer, 2000)。因为大多数大陆生长的假说, 要求在2.5, Ga就已经形成了大约60%的大陆地壳, 这样的假说预测到, 在太古宙末期大气圈氧气含量水平已经达到了60% PAL, 这与另外的学者将太古宙的大气圈氧气浓度置于10-3(Canfield, 2005)、乃至10-5 PAL(Kump, 2008)的认识明显不一致。

较高的氧气生产作用速率, 可能发生在构造活动活跃期间, 当快速侵蚀作用和风化过程向海洋输送更多的营养物、从而促进有机碳和黄铁矿埋藏的时候; 曾经认为, 这样的作用过程可能发生在大陆裂解期间(Lindsay and Brasier, 2002), 或者发生在大洋开启和关闭期间。但是, 较高的沉积作用速率, 不会发生在大陆裂解作用期间, 反而发生在由于大陆聚合而产生的山脉侵蚀作用期间(Squire et al., 2006)。地球历史上最大的山脉将产生在大陆与大陆碰撞过程中, 这个过程与超大陆的形成存在联系; 这些超级山脉的快速侵蚀, 将向海洋释放出大量的基本营养物, 如铁和磷(Squire et al., 2006), 因为磷是DNA的基本构成, 而且铁需要用来促进固氮细菌必须的电子转换(Falkowski, 1997)。结果, 超级山脉的侵蚀作用将导致海洋上部的蓝细菌和藻类生物的爆发, 从而掀起光合作用氧气生产作用的狂浪; 再者, 造山作用幕常常与较高的沉积作用周期相对应, 在这个时期更有可能产生有机碳和黄铁矿的埋藏, 明显要高于较低的沉积作用期间(Campbell and Allen, 2008; Campbell and Squire, 2010)。

另一方面, 造山作用幕, 常常与从造山带侵蚀出沉积物的时期对应, 这就会导致沉积物中所包含的有机碳与黄铁矿的氧化作用, 从而消耗大气圈中的氧气。但是, 如果有机碳埋藏的质量超过了有机碳侵蚀的质量的话, 在造山事件期间就会造成氧气含量的增加。在造山与侵蚀作用循环中, 沉积的沉积物通量因而必须超过侵蚀的通量; 结果, 每一个序列式的超大陆旋回, 就会产生比上一次旋回更多的沉积物。如果沉积物中的有机碳的分馏作用保持一样的话, 或者随着时间的变化而增加的话, 作为演化的结果, 每一个造山旋回就将造成大气圈氧气含量阶梯式的增加, 而且每一次阶梯式的增加, 就会造成大气圈氧气含量增加到较高的水平(Squire et al., 2006; Campbell and Allen, 2008; Campbell and Squire, 2010)。

早期的地球历史, 在超地壳序列中玄武质岩石主导着沉积物。大陆面积较小而且大部分处于海平面之下, 就像许多枕状玄武岩的较高丰度所表示出的那样。侵蚀作用速率很低, 从而限制了向海洋提供营养物的速率, 这对于光合作用氧气生产作用和分离氧气来源来说, 即针对储库平衡来说, 均朝向还原性的火山气体; 太古宙海洋较低的 87Sr/86Sr 值支持了这个观点。随着时间的变化, 大陆继续生长, 而且逐渐变成悬浮体, 沉积作用增强而且光合作用的氧气生产变得更加重要; 同时, 这些变化过程海域全球性火山活动的减弱将与地幔热的生产作用的降低相响应(Squire et al., 2006; Campbell and Allen, 2008; Campbell and Squire, 2010)。这些认识, 与以下认识具有惊人的巧合:元古宙早期的2.25~2.42, Ga 期间, 伴随着岩浆活动的关闭(Condie et al., 2009)以及地幔活动减速(Davies, 1995; O’ Neil et al., 2007; Ernst, 2009)所代表的构造活动明显受到限制的时期, 是一个是全球大气圈的变冷过程、同时发生大气圈氧气的上升(GOE; 图1-B), 还有广泛的冰川沉积的发育(Kirschvink et al., 2000; Canfield, 2005; Campbell and Allen, 2008; Sessions et al., 2009; Grotzinger et al., 2011; Och and Shields-Zhou, 2012)。

综上所述, 大气圈含氧气含量水平的总体增加, 从太古宙微不足道的水平增加到今天21%的含量, 是由于氧气生产作用增强的结果, 而且发生在侵蚀作用与沉积作用相对于火山活动随着时间的变化变得更加重要的状况下; 叠加在这个总体趋势下, 是一系列的阶梯式的氧气含量水平上升, 这与超大陆聚合作用之后异常高的沉积作用周期存在着紧密的联系(Squire et al., 2006; Campbell and Allen, 2008; Campbell and Squire, 2010)。

4.2 大气圈氧气含量阶梯式增加的基本样式

地球早期大气圈的氧气含量是很低的, 可能小于10-5 PAL(Canfield, 2005; Kump, 2008); 地球表面环境的氧气含量, 被大多数学者认为以图1-B所示的2个宽泛的步骤, 增加到现代水平(Sessions et al., 2009; Grotzinger et al., 2011; Och and Shields-Zhou, 2012):(1)大致围绕着太古宙— 元古宙界限的巨型氧化作用事件(GOE); (2)新元古代氧化作用事件(NOE), 在其中氧气可能聚集到支撑动物生命和深部大洋通气所需的水平。大气圈氧化作用的历史, 只能够依据一系列地质和地球化学代表物来进行推测, 这些代表物的大多数记录了氧化— 还原敏感的过程, 这些过程只能够提供一个氧气的阀值, 例如氧气处在某一个特殊水平之上或之下; 第2组代表物, 则记录了具有特殊的新陈代谢能力的生物群的存在, 这与产生或使用氧气的能力相关, 这些代表物也能够对大气圈氧气含量水平产生一个阀值, 需要补充的是它们能够反映在小型生境中的特化的活的生物, 但不是大规模环境的代表物。因此, 为了获得大气圈氧气含量水平随着时间的变化而发生的出现和聚集的精确记录, 就必须把来自于分布在时空中的多样化的代表物收集起来, 综合成有用的信息(Sessions et al., 2009)。

在地势起伏与侵蚀作用速率之间, 存在着一个对数线性关系, 而且在沉积作用速率与有机碳埋藏速率之间还存在着一个线性关系(Squire et al., 2006; Campbell and Allen, 2008; Campbell and Squire, 2010)。Campbell和Allen(2008)进行了一个有意义的工作, 基于世界上40条最大河流中5246个U-Th-Pb锆石测年数据的约束, 将大气圈含氧量水平已知的增加年龄与超大陆形成的时间进程进行了良好的对比, 同时, 这个工作还得到了从文献中收集到的除了非洲之外的代表了所有大陆的1719个数据的约束。特征性的数据, 可以组合成2.6~2.75, Ga、1.6~1.95, Ga、950~1250~, Ma、400~650, Ma、225~350, Ma几个组合, 分别与基诺大陆(Kenorland; 也称为Superia-Sclavia; Aspler and Chiarenzelli, 1998)、哥伦比亚(Columbia; 或奴纳(Nuna); Rogers and Santosh, 2002; Zhao et al., 2008; Reddy and Evans, 2009)、罗迪利亚(Rodinia; Li et al., 2008)、冈瓦纳(Gondwana; Li et al., 2008)和泛大陆(Pangaea; Rogers and Santosh, 2003)几个超大陆的汇聚相对比(图 2-C中的“ [1]” 至“ [6]” 所示); 第6个亚峰值可以识别为2.5~2.40, Ga, 这一次造山事件被Pehrsson和Jefferson(2009)认为是一次以前没有识别出的一个超大陆的汇聚, 这个超大陆被称为奴纳乌提亚超大陆(Nunavutia)。尽管造山事件不是地壳熔融而产生花岗岩岩浆、从而结晶成大多数锆石的唯一原因, 但是, 图2-C所示的锆石年龄数据与超大陆的会聚与形成还是很清楚地存在着成因联系。因此, 在所识别出的7个大气圈含氧量水平增加事件(图 2-C中的“ (1)” 至“ (7)” 所示), 与造山事件之间存在着惊人的可对比性。更进一步讲, 造山事件的时间表, 超过亿年, 总体上与氧气含量水平上升的步骤相对应; 还需要强调的是, 地球历史中最高的沉积作用速率, 不是发生在大陆裂解过程中, 而是发生在大陆— 大陆碰撞产生的超级山脉的侵蚀作用过程中, 尤其是那些与超大陆汇聚相关联的超级山脉的形成(Squire et al., 2006; Campbell and Allen, 2008; Campbell and Squire, 2010)。

图2 地球大气圈和海洋的长时间变化Fig.2 Secular changes for the atmosphere and ocean of the Earth

Campbell和Allen(2008)进一步总结到, 大气圈的氧气含量, 曾经以7个步骤增加到现代水平(图 2-C中的“ (1)” 至“ (7)” 所示)。第1次增加(图 1-C中的“ (1)” 所示), 是从钼同位素分馏作用的逐渐增加而识别出来的, 伴随着氧化— 还原敏感的金属铼和钼在南非Transvaal超群中的大约2.65, Ga的沉积物中的增加(Wille et al., 2007), 因为钼同位素只能以含氧阴离子的形式从溶液中分馏出, 这需要自由氧气。

第2次增加(图 2-C中的“ (2)” 所示), 发生在2.32~2.45, Ga期间, 被称为巨型氧化作用事件(GOE; 图1-B; Kirschvink et al., 2000; Canfield, 2005), 与地球上大致发生在2.70, Ga的基诺大陆(Kenorland; 也称为Superia-Sclavia; Aspler and Chiarenzelli, 1998)汇聚作用存在关联, 大气圈氧气含量上升的具体状况见上文所述, 而且这一次大气圈氧气含量水平上升与元古宙早期的碳循环波动和休伦冰期(图 2-A中的“ (2)” 所示)存在联系。

第3次增加(图 2-C中的“ (3)” 所示), 是从大约在1.85, Ga的条带状铁建造(BIF)的消失识别出来的(Cloud, 1972)。钕同位素研究表明, 铁建造主要来源于大陆物源(Alibert and McCulloch, 1993), 它们的形成因而要求那些铁来源于侵蚀性大陆, 而且以可溶解的Fe(Ⅱ )形式向海洋搬运, 而且一旦大气圈的氧气含量水平上升, 铁就变得不能搬运(Cloud, 1972)。需要指出的是, 最新的研究结果表明, 这个时期的BIF的消失大致在1.78, Ga(BIF沉积的较为年轻的年龄值, 1780, Ma; Pirajno et al., 2009; Planavsky et al., 2009; Poulton et al., 2004, 2010; Van Kranendonk et al., 2012), 所以, Campbell和Allen(2008)所识别出的这一次大气圈氧气含量水平上升, 应该要推迟大致7, Ma, 而且这一次大气圈氧气含量上升, 可能与以前没有识别出的一个超大陆即被称为奴纳乌提亚超大陆(Nunavutia; Pehrsson and Jefferson, 2009)的汇聚存在着联系。

第4次增加(图 2-C中的“ (4)” 所示), 证据相对不那么充分, 而且主要基于海相硫酸盐的硫同位素所模拟出的速率而推断出的增加, 表明在1.2~1.3, Ga之间, 海相硫酸盐浓度双倍增加, 从1.5~2.4, mM增加到2.7~4.5, mM(Kah et al., 2004), 如果这个模拟是正确的, 就要求深部大洋在这个时间段的氧气含量增加(Campbell and Allen, 2008)。

第5次增加(图 2-C中的“ (5)” 所示), 发生在550~850, Ma期间, 即上文所述的NOE。这一次增加还与元古宙晚期的碳循环波动(图 1-A, 图2-A)的晚期相对应, Campbell和Allen(2008)对这一次大气圈氧气含量水平上升的推断和总结, 主要基于以下资料和数据:(1)高分辨率的碳和硫同位素数据, 来自于阿曼Huqf超群的新元古代晚期的海相沉积物之中, 表明了这个时期的氧气水平的3次增加(Fike et al., 2006); (2)δ 34S值的明显增加, 沉积物中的硫酸盐和硫铁矿的硫同位素差异已经在澳大利亚和纳米比亚被发现(Hurtgen et al., 2005; Halverson and Hurtgen, 2007); (3)来自于加拿大纽芬兰的新元古代晚期的沉积物中的化学与生物活跃铁比值的变化(Canfield et al., 2007); (4)在551~663, Ma期间的黑色页岩中氧化— 还原敏感的钼含量的特征性增加(Scott et al., 2008); (5)如图2-B所示, 这个时期对应着 87Sr/86Sr 值的明显增加(Campbell and Allen, 2008)。Campbell和Squire(2010)的研究表明, 东冈瓦纳与西冈瓦纳的汇聚, 产生了一个大约8000, km长的环冈瓦纳超级山脉带, 这些山脉的侵蚀基底包括了最古老的含硬柱石蓝片岩和榴辉岩, 以及高压变质岩石, 这些低热梯度和高压变质岩石的突然出现, 意味着冈瓦纳造山带相对较冷而且更加坚硬, 与早期的超大陆汇聚相联系, 而且支持了高山山脉的发育。因此, 在地势起伏与侵蚀作用速率之间也存在着一个对数线性关系, 而且在沉积作用速率与有机碳埋藏速率之间存在着一个线性关系。冈瓦纳超级山脉, 要高于较早期的超大陆汇聚期间所形成的山脉, 而且这些山脉的快速侵蚀作用向海洋和河流释放了大量的基本营养物, 包括铁和磷, 从而激发了藻类与蓝细菌的爆发; 这个过程, 反过来造成了光合作用氧气生产作用的明显加强, 而且在这个时期的快速沉积作用, 又促进了在光合作用期间产生的有机质和生物成因的黄铁矿的较高的埋藏速率, 以至于它们不能与氧气反应, 最终导致了大气圈氧气的一个支撑性的上升。这次事件向大气圈增添了9× 1017 kg氧气, 至少是GOE所产生氧气的10倍(Campbell and Squire, 2010)。

第6次增加(图 2-C中的“ (6)” 所示), 来源于详细的模拟, 运用了硫和碳的同位素质量平衡(Berner, 2006), 表明了硫酸盐中的 δ 34S 与碳酸盐中的δ 13C同位素的变化(图 1-A)发生在260~360, Ma期间, 这归因于大气圈氧气含量水平从350, Ma的80% PAL增加到260, Ma的140%PAL(图 2-B)。发生在275~350, Ma的大气圈氧气含量水平上升是形成于泛大陆汇聚期间的超基山脉的快速侵蚀作用的结果; 这个山链, 大约为8000, km长, 宽度可达1000, km(Matte, 2001), 大小类似于冈瓦纳超级山脉; 最为有趣的是, 在Berner模型中(Berner, 2006), 275~350, Ma、以及525~650, Ma, 增添到大气圈中的氧气量的计算结果均是9× 1017 kg(Campbell and Squire, 2010)。

第7次增加(图 2-C中的“ (7)” 所示), 所模拟出的碳和硫同位素以及碱度表明, 从过去的25~40, Ma至今, 大气圈氧气含量水平从70% PAL增加到现代水平(Derry and France-Lanord, 1996; Godderis and Francois, 1996)。在太平洋北部的沉积物中木炭通量的增加, 以及在海相硫酸盐中 δ 34S 记录的增加, 均支持了这个结论(Derry and France-Lanord, 1996)。

首先发生的2个大气圈氧气的阶梯式上升特别饶有兴趣(Campbell and Allen, 2008)。在太古宙2.7, Ga左右的超地壳序列中, 玄武岩 ∶ 沉积物的比率为3︰1(Bleeker, 2003)。在造山旋回中沉积物出现得较晚一些, 因为在几个克拉通上出现了较晚期的2.6~2.65, Ga小型盆地, 这些沉积物可以与大气圈氧气含量水平的第1次小型阶梯式上升相对比。在大约2.5, Ga, 针对沉积物主导的超地壳存在着一个急剧变化, 随着贫乏玄武岩的大规模沉积盆地的突然出现, 例如澳大利亚西部的Hamersley盆地、南非的Transvaal-Griqualand West盆地以及巴西的Minas超群, 太古宙与古元古代早期的超地壳的差异可能归因于在太古宙末期的具有浮力体性质的克拉通化大陆的出现(Bleeker, 2003)。Campbell和Allen(2008)认为, 这个变化对来源于储库之间氧气的平衡具有一个明显的影响:(1)在太古宙沉积作用速度如此低, 限制了向海洋供应的营养物, 结果就降低了光合作用氧气的生产作用速率, 火山作用所释放出的还原性气体充满海洋和大气圈并限制了氧气的生产作用; (2)在2.5, Ga, 平衡可能逆转, 作为第1次, 进入海洋的营养物通量足以支撑光合作用生产的平衡发展, 这就可能解释了为什么巨型氧化作用事件发生在2.7, Ga左右蓝细菌首次出现之后的200, Ma(Kump, 2008)。

图2-B所示的大气圈氧气含量水平的阶梯式上升的模型, 还预测了大气圈氧气含量在构造宁静期的降低。在这样的时期, 侵蚀作用可能变慢, 限制了向海洋提供的营养物, 降低了光合作用氧气的生产速率, 而且还可能打破了还原性火山气体的大气圈平衡。由于大气圈的记录不完整, 所以要预测前寒武纪大气圈就相对困难, 但是, 还是可以对显生宙记录进行检测。2个大气圈氧气含量衰减的周期被预测出:一个是在冈瓦纳裂解期间, 另一个则是在泛大陆裂解期间(图 2-C)。较早的一个周期, 与中泥盆世到晚泥盆世(380, Ma)木炭记录的空白间隔相对应, 而且对应着广泛的海洋缺氧事件, 表明了大气圈氧气含量水平下降到60% PAL之下(Kump, 2008); 最近的一个周期与Berner(2006)识别出的一个氧气急剧下降时间相对应(图 2-C)。

5 讨论和结语

基于超大陆汇聚过程之中所形成的超级山脉的强烈侵蚀作用导致强烈的沉积作用, 使得向海洋提供的营养物增加, 尤其是磷和铁, 从而促进光合作用生命的繁盛与爆发, 最终造成大气圈氧气含量水平的实质性增加, 不但说明了大气圈氧气含量水平上升是一个与地球动力学过程紧密相关的地球生物学过程, 而且得出了一个更加详细的大气圈氧气含量水平阶梯式上升的图像(图 2-C; Campbell and Allen, 2008)。从图1-B所示的三段式图像, 到图2-C所示的大气圈氧气含量水平的7次上升, 代表了科学家们了解地球大气圈氧气含量水平上升的一个重要进展。这样的推理(Campbell and Allen, 2008; Campbell and Squire, 2010), 为今后的深入研究提供了许多重要的科学理念和思考途径。但是, 还存在着许多细节问题没有得到充分的了解。

首先, 在南非大致2.9, Ga的Pongola超群中, 还包含着地球上最为古老的冰川作用证据(图 2-A中的“ (1)” 所示), 代表了地球上最为古老的冰川沉积和冰川作用期, 表明在那个时候可能存在着局部寒冷的大气圈条件(Von Brunn and Gold, 1993; Young et al., 1998), 而且甚至是一个弱氧化的大气圈(Ono et al., 2006), 因为大陆冰川作用可能要求一个大致在20, ℃或者更低的平均地表温度, 这主要基于近代的气候记录, 但不管是 图1-B所示的大气圈氧气含量的三段式上升、还是图2-C所示的大气圈氧气含量水平上升的7个步骤, 均没有对2.9, Ga地球上最古老的冰川作用进行合理的阐释。

其次, 元古宙早期的2250~2420, Ma, 伴随着这个构造活动明显受到限制的时期所表征的地幔变冷过程(Davies, 1995; O’ Neil et al., 2007; Ernst, 2009; Condie et al., 2009), 也是全球大气圈的变冷过程(休伦冰期; 图2-C和图2-A中的“ (2)” 所示)和同时发生的大气圈氧气含量水平的上升(GOE; 图1-B和图2-C中的“ (2)” 所示), 似乎是一个稳定构造背景和岩石圈变冷过程为微生物的扩张提供了一个基本背景, 从而导致了大气圈变冷过程, 相应地就是同时代的GOE(Melezhik, 2006), 但是, 这个似乎合理的多重控制机制又不太适合新元古代的NOE(图 1-B和图2-C中的“ (5)” 所示)以及同时代强烈的新元古代冰川作用之间的复杂关系。

第3方面, 不管是图1-B所示的大气圈氧气含量水平上升的三段式模型、还是图2-C所示的大气圈氧气的7次上升图像, 均对图1-A和图2-A所示的元古宙早期和晚期的碳同位素剧烈波动、以及在中元古代的“ 令人烦恼的100, Ma” (Holland, 2009)给予一个合理的阐释。

大气圈氧气含量水平的上升是生命历史的一个里程碑, 尽管氧气本身不是一个气候活跃的气体, 但是, 大量出现可能会消除早期地球上出现的甲烷温室效应气体, 而且会潜在性地导致一个剧烈的变冷过程; 再者, 通过碳、氮、硫和铁的生物地球化学循环的根本改变, 氧气含量水平第1次在大气圈中的上升、以及后来在海洋中的浓度的上升, 对地球的气候也具有一个间接的影响(Sessions et al., 2009)。作为地球大气圈的一个有重要意义的构成, 分子氧(O2)的出现对于生物圈和地圈来讲是一个史诗般的事件, 而且铺平了动物进化的道路。在生命历史长河中的所有生物化学创造中, 氧化水的机制, 即生氧光合作用, 运用阳光制造出作为废料的氧气, 无疑是最伟大的创造。不但早期的蓝细菌使用水作为燃料, 而且还具有一个几乎没有限制的能量供应的优势; 再者, 作为废料的氧气生产确实明显改变了地球海洋、大陆和大气圈构成。大气圈氧气的上升对与地球的气候具有重要的间接影响, 早期地球的一个缺氧的大气圈可能会含有一定量的甲烷(Kasting and Siefert, 2002; Kasting and Catling, 2003), 这是一种潜在性的温室效应气体。氧气分压的增加, 可能会消除这种甲烷温室效应, 可能会驱动剧烈的变冷过程。实际上, 一系列的接近全球性的冰川作用, 被确信发生在大致相同的时候即大气圈氧气含量水平首次明显上升的时候(Kirschvink et al., 2000)。

需要指出的是, 殷鸿福等(2004)的《生物地质学》、徐桂荣等(2005)的《生物与环境的协同演化》、谢树成等(2011)的《地球生物学》, 为地球生物学过程的研究, 提供了若干有益的研究方法和概念体系; 冯增昭(2013)主编的沉积学巨著《中国沉积学》(第2版)囊括了沉积学的方方面面, 汇聚了许多中国沉积学家的智慧和新成果, 为今后从沉积学去探索光合作用氧气成因及其在大气圈中的聚集过程, 提供了若干基本的沉积学思考途径和研究线索。

基于GOE与NOE(Kirschvink et al., 2000; Canfield, 2005; Campbell and Squire, 2010; Kump et al., 2011; Och and Shields-Zhou, 2012)的重要概念, 就得出了地球大气圈氧气含量水平上升三段式的盛行图像(图 1-B; Kump, 2008); 大气圈氧气一系列的阶梯式的上升, 被总结为7个事件而与超大陆汇聚事件得到了良好的对比, 从而提供了一个更加清晰的图像(图 2-C; Campbell and Allen, 2008; Campbell and Squire, 2010)。图1-B和图2-C所示的大气圈氧气含量水平上升的路径, 与图1-A和图2-A所示的海水中碳循环波动、图2-B所示的海水与地幔中的 87Sr/86Sr 值的长时间变化、超大陆旋回与地球大冰期之间, 存在着复杂的成生联系, 说明了大气圈氧气含量水平上升所蕴含的地球生物学过程(殷鸿福等, 2004; 徐桂荣等, 2005; 谢树成等, 2011; 梅冥相, 2012, 2014), 与地球动力学过程(Condie et al., 2009; 梅冥相, 2010; Eriksson et al., 2010; Grotzinger et al., 2011)存在着紧密的联系; 再者, 大气圈氧气含量的上升, 又反过来促进生物圈的进化与革新, 大致在GOE时期发生了从原核生物到真核生物的进化, 然后, 在新元古代发生了从单细胞到复杂结构的多细胞生物的进化(Och and Shields-Zhou, 2012), 这个富有哲理的认识就充分表明了这一点。若干新颖的观点和重要的认识, 为深入理解地球大气圈氧气含量水平上升这一个重要的地球生物学过程, 以及这个地球生物学过程与地球动力学过程之间的复杂联系, 提供了重要的思考途径和研究线索; 追逐这些研究进展, 将有助于揭开地球大气圈演变历史的神秘面纱并寻找出更多的科学研究生长点。文中对这一个科学命题的追索, 目的在于激起同行的兴趣而起到抛砖引玉的作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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