海底地质历史演化记录 -海底地貌图

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日前，美国科学院院刊（PNAS）刊发了中国科学院海洋大科学研究中心孙卫东课题组关于地质历史时期全球性氧化事件的发生及其对岩浆岩成分影响的最新成果。

在地球形成的早期，大气圈中几乎没有氧气。大气氧是在地质历史时期经历了两次大规模的升高后逐渐演化为今天的含量的。从上世纪以来，科学家们便对地质历史时期全球性氧化事件的发生时间开展了一系列研究。然而，几乎所有此类研究均是针对于沉积岩的地球化学特征而开展的，这是因为沉积岩的元素含量、同位素组成等可以直接受到大气-海水中氧含量的影响而发生变化，而源于深部的岩浆岩则需要更为复杂的地质过程才能发生成分的改变。

来自中国科学院海洋研究所的孙卫东研究员指导其博士后刘鹤，联合澳大利亚科学家，以全新的手段和视角对全球性氧化事件的发生时间进行了限定。其研究发现，在当今地球上，形成于阿留申群岛、堪察加半岛、千岛岛弧、日本群岛和琉球群岛的弧岩浆岩中钍（Th）元素含量和铀（U）元素含量的比值（Th/U）明显低于亚洲东部的内陆型岩浆岩（图1）。Th和U原本为地球化学性质十分相近的两种元素，因此不同岩性的岩浆岩中的平均Th/U基本上保持一致。弧岩浆岩具有低Th/U的原因是在大气和海水中氧气的氧化作用下，地表河流和海水中的U元素主要以溶于水的U6+的形式存在，但Th元素仍以不溶于水的Th4+形式存在，致使现代海水中的U元素含量远高于Th元素含量，从而造成蚀变的海底洋壳具有低的Th/U。这些蚀变洋壳在沿俯冲带向深部俯冲的过程中，通过洋壳脱水作用将其低Th/U的特征随着流体运移最终带入到俯冲带上方形成的弧岩浆岩中。

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图1 东亚地区和太平洋北部1000万年前至今的岩浆岩的Th/U分布特征。

在地球早期大气和海水中均没有氧气的情况下，蚀变洋壳不会具有低Th/U的特征，当时的板块俯冲作用所形成的弧岩浆岩的Th/U也不会降低。基于这一设想，刘鹤等人从全球岩浆岩数据库中筛选了30亿年前至今形成的所有中酸性弧岩浆岩的地球化学数据，以统计学方法计算出全球弧岩浆岩的Th/U随时间的变化规律。结果发现，弧岩浆岩的平均Th/U在地质历史时期的两次大幅度降低刚好记录了~24亿年前和~7.5亿年前两次全球性氧化事件的发生（图2）。 

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图2 氧化还原敏感性元素在地质历史时期的变化特征

全球第一次氧化事件在业内被称为“大氧化事件”，开始于~24亿年前，结束于~21亿年前，其发生和结束的时间原是基于沉积岩的硫同位素和碳同位素组成的变化而限定的。刘鹤等采用岩浆岩的成分精确限定大氧化事件的时代，是前所未有的。不仅如此，弧岩浆岩的平均Th/U的变化也进一步证实了在24-21亿年前，大气和海水中的氧含量曾经发生过一次大规模的先升高再降低的事件。全球第二次氧化事件通常称之为“新元古代氧化事件”，发生于~7.5亿年前。这次氧化事件以后，地球上的氧气没有大幅度回落，而是在相对较高的含量范围内变化，从而为埃迪卡拉纪动物繁盛（5.8亿年前）和寒武纪生命大爆发（5.4亿年前）奠定了基础。弧岩浆岩的Th/U在7.5亿年前大幅度降低，昭示着大气-海水中的氧含量大规模升高，这与前人通过沉积岩的Cr同位素组成、Mo元素含量、以及硫酸盐蒸发岩定年的研究成果相一致。而相比于沉积岩，岩浆岩的年龄数据更为可靠，且样品数量几倍于沉积岩，分布范围更广。因此，基于弧岩浆岩的化学成分变化而取得的成果为确定两次氧化事件的形成时间提供了更加令人信服的证据。更重要的是，该研究所采用的弧岩浆岩的Th/U比值可以同时指示两次氧化事件的发生，而此前绝大部分研究成果都是通过针对性研究分别限定两次氧化事件的发生时间的。本研究得到中国科学院战略性先导专项B（XDB18020102）和国家重点研发专项（2016YFC0600408）的支持。

论文信息：

Liu H., Zartman R. E., Ireland T. R., Sun W.-D. 2019. Global atmospheric oxygen variations recorded by Th/U systematics of igneous rocks. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

https://www.pnas.org/content/early/2019/08/27/1902833116

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