金属稳定同位素示踪地球增氧事件

早期贫氧地球如何演化至现今富氧地球是理解地球宜居性形成与演化的关键,但重建地质历史时期地球大气与海洋氧含量仍是地球科学领域的重大挑战.金属稳定同位素的高精度测试分析为示踪地球大气与海洋氧化历史提供了新的研究手段.以Mo、U、Tl、Cr四种氧化还原敏感金属稳定同位素体系为例,详细介绍了氧化还原敏感金属稳定同位素地球化学行为及分馏机理.在此基础上,系统回顾了金属稳定同位素在研究产氧光合作用的起源、大氧化事件（Great Oxidation Event,GOE）、中元古代大气和海洋氧化还原状态、新元古代氧化事件（NOE）等重大科学问题中的研究进展.金属稳定同位素在重建地球表层圈层氧化过程具有广阔的应用前景,对认识地球宜居性的演化历史以及探索其未来发展趋势具有深远意义.      

地史时期生物对冰室气候形成的作用

在地质历史时期的碳循环中,生物的作用很大.生物产氧光合作用消耗CO₂而产生有机质与O₂;有机质及生物成因碳酸盐岩埋藏又进一步固定CO₂并减少O₂消耗,所以生物产氧光合事件与冰期、成（增）氧期应存在因果关系.论述了5次事件,分别是:与产氧光合蓝细菌有关的古元古代初期大氧化事件（Early Proterozoic great oxygenation event,GOE）、与真核生物辐射事件有关的新元古代大成氧事件（Neoproterozoic oxidation event,NOE）、与早期陆生植物繁盛事件有关的晚奥陶世增氧和冰期事件、与维管植物繁盛事件有关的石炭纪-二叠纪增氧和冰期事件及与被子植物和浮游微植物繁盛有关的第四纪冰期事件.结果表明,5次成氧事件和冰期与生物事件有因果关系,主要表现为,都有冰期和成氧事件共存或相继出现的证据,反映大气CO₂降低和O₂增加同时或相继发生,而这只能由生物的光合作用及其产物的埋藏造成.这说明生物不仅仅是适应于环境,它也对环境产生重大影响,生物与环境的这种相互作用在漫长的地质历史中表现为协同演化.但是早期生物事件并不立刻产生成氧或冰期等环境效应,这种效应开始是微量的,逐渐积累,达到阈值后才发生质变,所以在时间上是滞后的.随着生物多样性和丰度的增加,这种效应越来越大,速率越来越快,滞后性逐渐减弱,耦合性日渐明显.生物与地球环境之间的相互作用构成了生物与地球系统的自我调节,使地球与其他星球不同,其表层始终保持在生命宜居的环境范围内.今天人类更要理智地、科学地善待地球,避免对地球造成重大的负面影响.      

新疆吐-哈地区硝酸盐矿床的氧同位素非质量效应

随着分析测试技术的提高以及同位素分馏理论的进步,氧同位素非质量分馏的应用范围已经从太空拓展到地球,逐渐发展成为研究行星和地球早期演化、地球表面各圈层相互作用的重要途径和手段.硝酸盐和硫酸盐是地球上少数几个具有明显氧同位素非质量分馏效应的矿物.本文测定了新疆吐-哈地区硝酸盐矿床中硝酸盐和硫酸盐矿物的氧同位素组成,结果显示,硝酸盐的氧同位素存在明显的非质量分馏效应,△17O高达14‰,δ18O高达40‰.为该超大型硝酸盐矿床的大气沉积成因提供了可靠依据.     

锆石Ce 氧逸度计和早期地球的氧化还原状态

氧逸度可以用于定量描述一个体系的氧化还原状态,是地球科学非常重要的一个热力学指标。早期地球的氧逸度及其变化趋势的重建,对大气圈、水圈、生物圈乃至整个地球的起源和演化具有重要的科学意义,也是地球科学长期探索的重要目标。锆石提供了地球上已发现的最古老天然样品,几乎是目前研究早期(冥古宙)地球的唯一可靠对象。近年来的研究发现,锆石中Ce的含量对其母岩浆体系的氧逸度很敏感,并由此发展出了锆石的Ce氧逸度计。这一技术对认识早期地球的氧化还原状态十分关键。文章对锆石Ce氧逸度计进行了简单介绍,进而对早期地壳和地幔的氧化还原状态进行了综合评述。在此基础上,对早期地球几个重要圈层(大气圈、大陆地壳和上地幔)氧逸度的演化及相互间的耦合关系进行了讨论。     

埋藏氧的上升和地球早期大气形成北大核心CSCD

埋藏在地下深部岩石中的氧或许在几十亿年前促进了地球岩石地幔的搅动,并改变了早期行星的大气成分。耶鲁大学,亚利桑那州立大学,和德国的巴伐利亚地质研究所的研究表明,地表下地热引起岩石缓慢的运动,即地幔对流是由矿物中氧的分布不均引起的。     

PNAS:大气氧含量决定生命演化的传统理论受到挑战

正一直以来,关于生命演化,科学界普遍公认:地球复杂生命形态只有在当大气氧的含量上升至接近现代水平时才能进化。但是,由南丹麦大学海洋生物学研究中心主持的最新研究颠覆了这一传统认识,其研究成果发表于2014年2月17日出版的美国科学院院刊(PNAS)。迄今为止,复杂生命起源是科学界最大的谜题之一。最初的简单原始细胞如何进化为地球上现存的多样的先进生命体?科学界始终将这归结为氧的作用。6.3~6.35亿年前,地球上首次出现复杂生命形态,而在数十亿年以前仅有原始的单细胞生命形态。复杂的动物体的出现伴随大气氧含量的显著上升,因此,两者之间的这种显著关联表明大气氧含量的增加导致了动物的进化。     

地球氧逸度

地球是一个"氧化性"的星球。在太阳系所有行星中,只有地球大气中含有高浓度的O_2(约占21%)。研究表明,地球演化的早期,其大气组成与火星等类地行星相似,都是以CO_2为主,O_2含量可以忽略不计。在大约24-21亿年前,地球大气中O_2含量突然大幅度升高,一度超过现今O_2含量的1%,而后又在中元古代回落到现今O_2含量的0.1%以下。沉积物中氧化还原敏感元素的含量变化显示,大约6.3亿年前雪球地球结束之后,地球大气中的O_2含量再次大幅度升高至20%左右,而后在显生宙经历一系列复杂变化并最终演化至现今的水平。Re/Os比值显示,硅酸盐地球的氧逸度远高于月球,也高于火星。考虑到月球与地球分异发生在45亿年前,月球的低氧逸度暗示地球早期的氧逸度可能也较低。可以影响地球氧逸度的元素主要有O、H、Fe、S和C等。控制地球氧逸度变化的主要过程包括:核幔分异、板块俯冲和火山喷发去气等。在核幔分异以前,金属Fe可能是控制硅酸盐地球及其表生环境低氧逸度的关键因素。核幔分异过程中,Fe是控制氧逸度变化的关键元素。核幔分异将金属Fe与铁氧化物分开,造成地幔Fe~(3+)/Fe~(2+)比值升高。尤其是在下地幔,Fe~(2+)在高压下发生歧化反应,形成金属Fe和Fe~(3+)。其中Fe~(3+)赋存在布里奇曼石中,导致下地幔氧逸度低。在板块俯冲过程中,当有板片进入下地幔时,布里奇曼石会因体积补偿,被运移到上地幔,并发生分解,释放出Fe~(3+),导致周围地幔氧逸度的升高。但是,V/Sc和Zn/Fe等元素比值则显示在过去30多亿年以来,地幔的氧逸度变化不大,可能与上、下地幔间氧化还原缓冲层或者是上述元素比值对氧逸度不够敏感有关。在地球演化早期,金刚石是最早形成的矿物。由于金刚石的密度在上地幔高于地幔橄榄岩熔体,而在下地幔小于地幔橄榄岩熔体,因此在岩浆海阶段,金刚石倾向于在上地幔底部富集,成为一个富金刚石的储层。在板块俯冲阶段,这些金刚石会被布里奇曼石分解所释放的Fe~(3+)所氧化,形成富碳酸盐和CO:的层位,同时起到稳定上地幔氧逸度的作用。俯冲带地幔橄榄岩和岛弧火山岩的氧逸度均高于板内环境,因此一般认为板块俯冲会导致氧逸度升高。在板块俯冲过程中,氧逸度主要受到Fe和H_2O(水分解释放出H_2)的控制。蚀变大洋岩石圈中含有大量的H_2O,板块俯冲过程中脱水会导致地幔楔蛇纹石化。蛇纹石化过程会形成磁铁矿,释放出味,使局部在短时间内氧逸度降低。但是,由于H_2很容易逸散到大气中,而磁铁矿则保留在地幔楔中,其结果导致岩石中Fe~(3+)/Fe~(2+)比值升高,从而在发生部分熔融时形成高氧逸度岩浆。板块俯冲对氧逸度的影响是多方面的,还与俯冲板块的年龄、沉积物的性质等有关。对于富含有机物的沉积物俯冲过程,C是主要的氧逸度控制元素。在板块俯冲的浅部,有机物分解,释放出CH_4等还原性气体,造成上覆岩石圈氧逸度下降。富含铁锰结核等氧化性沉积物的俯冲则可以导致地幔楔氧逸度的升高,这一过程中Fe和Mn是控制氧逸度的主要元素。火山喷发可以释放出CH_4、CO_2、H_2S和SO_2等气体,也可以影响大气中O_2的含量。有研究认为,火山气体中的H_2S随岩浆房压力增加而增加,SO_2则随压力的增加而减少,因此岩浆房压力可以影响其排气的氧化-还原性,进而影响大气的O_2含量。一种观点认为,正是由于太古宙末期大量出现陆相火山岩,导致了大氧化事件,在这一模型中,S是控制氧逸度的关键。氧逸度对多种成矿作用均具有重要的控制作用。其中,斑岩铜金矿床的形成往往与高氧逸度的埃达克岩有关。这是由于当岩浆的氧逸度高于AFMQ+1.5时,岩浆中S主要以硫酸盐的形式存在。由于硫酸盐在岩浆中的溶解度远远高于硫化物,因此,在俯冲洋壳部分熔融过程中形成的高氧逸度埃达克质岩浆可以熔出更多的亲硫元素,有利于成矿。锡矿床的形成则往往与还原性岩浆有关。这是因为在高氧逸度岩浆中,Sn主要呈Sn~(4+),易于在岩浆结晶早期进入矿物中;而在还原性岩浆中,Sn主要以Sn~(2+)形式存在,表现为不相容元素,倾向于在岩浆中富集,并在岩浆期后热液阶段富集成矿。其他氧化还原敏感元素,如U、V、Mo、Re、Sb和Fe等,可以在表生过程中富集,有利于进一步富集成矿。     

论祁雨沟式金矿

祁雨沟金矿是典型的爆破角砾岩型金矿。系统地论述了其成矿地质背景、矿床地质、地球化学特征、及其成因意义。根据围岩蚀变和矿物包裹体温度、成分的研究,确定了矿床形成的物理化学条件及其各阶段的演变;通过氧同位素研究证明了成矿溶液的来源由早期岩浆水转变为晚期大气降水;用硫、碳和铅同位素组成说明成矿物质的复杂来源。以板块构造理论为指导,建立了矿床的形成模式,并指出找矿方向。     

寒武纪早期大气-海洋氧含量与生命大爆发

寒武纪早期(541~510Ma)地球环境与这一时期生命大爆发之间的关系一直是地球生物学研究的热点问题之一。本文系统总结了目前寒武纪早期大气-海洋氧含量与这一时期生命辐射之间关系的3种假说:大气-海洋的氧含量增加导致了寒武纪生命大爆发;寒武纪生命大爆发导致了大气-海洋氧化以及二者之间没有因果关系。3种假说均有相应的支持证据,但也存在与寒武纪早期海洋化学记录、与现代海洋观察不符和上述假说均未考虑寒武纪早期生命演化所展示的时空差异性等问题。在上述3种假说的基础之上,本文通过对寒武纪构造活动、陆源输入、海洋化学和生命演化等最新资料的综合讨论和分析表明:寒武纪早期地球环境与生命辐射之间很可能是相互作用与协同演化关系,而非简单的单向关系。     

埋藏氧的上升和地球早期大气形成

正埋藏在地下深部岩石中的氧或许在几十亿年前促进了地球岩石地幔的搅动,并改变了早期行星的大气成分。耶鲁大学,亚利桑那州立大学,和德国的巴伐利亚地质研究所的研究表明,地表下地热引起岩石缓慢的运动,即地幔对流是由矿物中氧的分布不均引起的。该成果发表在8月1在《Nature Geoscience》期刊上。耶鲁大学地质学和地球物理学副教授Lee提出,假设其他元素都相同,氧元素增多,岩石的密度就会降低,因此氧化     

陆地氧循环过程研究进展

氧循环是地球系统重要的生物化学循环之一,其变化对地球的宜居性有着重要影响。工业革命以来,由于人类活动的影响,现代氧循环相比地质年代的氧循环发生了巨大的变化。陆地氧循环过程在现代氧循环中具有举足轻重的作用。从陆地植被生态系统产氧、陆地燃料燃烧耗氧等方面对已有陆地氧循环过程研究进行了回顾,表明：(1)陆地过程的变化会直接造成大气氧气浓度的波动,对大气氧气浓度有预测作用;(2)陆地氧循环过程反映了生态系统对人类活动与气候变化的响应,对评估生态安全具有指示作用。通过探究陆地氧循环过程对气候变化与人类活动的反馈,有助于预测未来大气氧气浓度的变化,为未来区域发展政策制定提供参考。     

深部岩浆洋决定了地幔氧化状态

正地幔氧化状态对于地球的大气成分和地球内部的物理化学性质均产生了重要影响。在地质历史时期,地幔氧化状态的演化过程中最为突出的阶段发生在地球最初的10亿年内:地幔在核幔分异中对应着非常还原的条件;约35亿年,科马提岩的V/Sc值和Cr含量等氧逸度指标表明地幔的氧化状态较核幔分异时已经上升了5个数量级。而地幔氧化状态在随后的30多亿年中保持稳定。对于早期地幔快速氧化的机制目前还存在争议,而岩浆洋的氧化状态可以为该科学问题提供解释。为了研究     

现代酸性矿山废水环境中的真核微生物:生物多样性、生理学、生物地球化学特征及其对古环境和早期生命演化的指示

现代酸性矿山废水(AMD)环境被认为是地球早期环境的理想对应物.AMD的水环境具有金属含量高、pH低的特点,这与太古代-早元古代时期海洋的某些环境条件十分类似.然而,尽管AMD的环境条件恶劣,但仍然栖息着非常丰富的原核和真核微生物,在这其中那些嗜酸的、营光合作用的真核微生物类群(特别是Euglena mutabilis)更是引起众多科学家极大的研究兴趣.本文全面概述了在AMD环境中发现的真核微生物Euglenids种群的生物化学、生理学和生物地球化学特征,以及这些特征对于理解生命演化和早期地球环境条件等方面的指示性作用.Euglenids的细胞具备区域化功能,因而具备需氧和厌氧的蜡酯和甾醇的双生物合成途径,同时它们还可以形成生物膜,所有这些均使得Euglenids能够在早期地球极端恶劣的环境条件下生存并持续演化.在AMD酸性环境中发育的富铁叠层石、嗜酸微生物的脂类化合物及其碳同位素比值以及它们独特的生理和生化特征可用于阐述真核生物的演化、地球早期大气中氧气的产生、条带状富铁建造的形成以及地球早期的环境演化等.     

江西银山多金属矿床水—岩反应及成矿流体来源的讨论

本文以银山矿床的地质地球化学特征为依据，以水－岩反应及其同位素交换为出发点，对前人关于该矿床成矿流体主要来自岩浆水的结论提出质疑。根据流体和蚀变岩石的氧同位素组成进行了水－岩氧同位素交换的反演计算，表明银山矿床成矿流体应来源于大气降水，是大气降水在深处较高温度和低Ｗ／Ｒ比值下与千枚岩之间发生的水－岩反应的产物。岩浆活动主要为成矿作用提供了热源。     

江西角山多金属矿床水—岩反应及成矿流体来源的讨论

本文以银山矿床的地质地球化学特征为依据，以水－岩反应及其同位素交换为出发点，对前人关于该矿床成矿流体主要来自岩浆水的结论提出质疑。根据流体例和蚀变岩石的氧同位素组成进行了水－岩氧同位素交换的反演计算，表明银山矿床成矿流体应来源于大气降水，是大气降水在深处较高温度和低Ｗ／Ｒ幽会下与千枚岩之间发生的水－岩反应的产物。岩浆活动主要为成矿作用提供了热源。     

陨石撞击成因气凝球粒及撞击烟柱的化学特征

陨石撞击地球表面往往产生灾难性的影响,然而这种影响往往很快地被地表活跃的地质与生物营力所抹去。撞击事件所产生的烟柱,携带大量气体、液滴和尘埃抛溅到距离撞击坑很远的地方,这些烟柱冷凝后成为球形颗粒被保存到地层中,为还原地球早期撞击事件、评估其对环境的影响提供了重要证据。本研究聚焦于撞击烟柱中高温矿物气体冷凝而成的气凝球粒,仔细分析了其中原生尖晶石相的化学成分特征,并以此为窗口推测了烟柱中的气体成分、氧逸度等。我们的研究表明,由于气凝球粒中尖晶石Fe³⁺/Fe^TOT的比值往往很高,而单纯矿物气液平衡本身过于还原,因此气凝球粒的形成需要有撞击烟柱中混杂的空气参与作用。气凝球粒也因而在一定程度上提供了地球早期大气中氧逸度变化以及撞击烟柱不均一性的记录。这一推断与前人依据实验和地球化学分析得到的推测一致,为关于气凝球粒形成机制的数值模拟研究提供了重要启示。     

重力场的潮汐变化观测及其研究

基于我国武汉超导重力仪长周期序列潮汐观测数据,研究了重力场潮汐变化特征,精密确定了地球潮汐常数,讨论了重力观测中的海潮负荷和大气效应问题;根据地球自由核章动在周日重力潮汐观测中的共振效应确定了自由核章动的复本征周期和品质因子Q值,研究了极移重力效应;并对进一步利用重力潮汐观测研究地球物理问题进行了讨论。     

微生物参与前寒武纪条带状铁建造沉积的研究进展

地球演化早期太古代和早元古代大规模的条带状铁建造(BIF)是目前世界上最重要的铁矿资源。已有的稳定同位素组成、分子化石以及岩石磁学性质等证据支持早期微生物广泛参与了BIF的形成。本文评述了微生物参与BIF形成过程中铁搬运和沉淀及其同位素分馏、生物标志物和岩石磁学证据。深入地研究BIF成矿中的微生物矿化贡献,有助于解释BIF形成机制,反演前寒武纪大气-海洋环境演化,以及理解地球早期生命的过程。     

利用地幔的Nb和Ta含量制约地球原始岩浆洋的成分

硅酸盐地球和陨石相比,具有更低的Nb/Ta比值。前人的高温高压实验工作(<25 GPa)表明,在氧逸度非常低的条件下(岩浆洋的FeO<1%mol),Nb更倾向于进入地核,从而可以解释硅酸盐地球的低Nb/Ta比值。但是,地球早期岩浆洋在成核过程中是否一直保持极端还原状态还存在疑问。为了增加对早期地球演化的了解,巴黎地球物理研究所的科学家们利用金刚石压砧开展了43~75 GPa、3000~4400 K条件下的实验。     

倪培教授团队参与发现元古代高氧气含量的直接记录:石盐流体包裹体测定

正以往对地球历史过程中氧气浓度的推测,都来自各种间接的地球化学数据。而形成在卤水表面的原生石盐流体包裹体,可以捕获古代的卤水和大气,且由于石盐是无机矿物,捕获的古代大气不会与之发生反应,从而记录了原始的古代海水/湖水的成分和古代大气的成分。之前认为前寒武纪的大气氧气浓度在新元古代到寒武纪早期(5.5亿年左右)开始