从造山运动到氧

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地球上大气氧气的升起是生命改变一颗行星最重要的例子。但是光合作用的发生只是地球上氧气故事的一部分。还原剂主要来自地球内部和地壳中,它与大气中的氧气发生反应并将其除去。因此,构造和岩浆作用与控制大气氧含量的生物过程一样重要。在差不多十年之前出版的《自然地球科学》(《Nature Geoscience》)第一卷中, Campbell和Allen帮助引发了对这种关系进行调查的新的研究热潮。通过对比过去构造活动的记录和大气氧含量的记录,他们发现,在与超级大陆拼合有关的广泛的造山运动的间歇期,大气中氧气含量在逐步增加。

能释放氧气的光合作用是一种奇异的进化现象,是地球表面自由氧的唯一重要来源。因此,我们现有的富氧大气是不连续的进化事件的直接产物。然而,在有机物发生呼吸和腐烂时,和风化期间黄铁矿的氧化以及火山和变质过程中产生的还原气体被氧化一样,都要消耗大气中的氧气。当富含有机质的沉积物被埋藏在沉积盆地中时,氧气在大气中聚积。大气中氧气含量随着时间而发生的变化,反映了其光合作用供应与氧化反应过程中的消耗之间的平衡转换,这在很大程度上受固体地球系统的控制。例如,沉积速率在控制今天有机物埋藏方面起着关键的作用。因此,我们估计造山事件将使沉降速率增加,因而有利于大气氧气的生成。

为了验证这一理论,Campbell和Allen1编制了岩浆矿物锆石的全球丰度和U-Th-Pb年龄数据库,并把这些数据与独立估计得到的地球表面氧气的含量进行对比。假设富含锆石的花岗岩地壳形成于大陆碰撞与造山事件过程中,研究人员发现锆石含量的峰值出现在超级大陆拼合或其他主要造山运动期间。有趣的是,这些峰值与之前推断的大气氧气含量随着时间推移出现的逐渐增加是一致的。为了解释这种相关性,Campbell和Allen认为,在造山运动过程中,侵蚀作用加剧,导致埋藏的有机碳含量增加。因此有理由相信,由于向海洋输送了大量沉积物,使得埋藏有机碳增加,这将有利于大气中氧气的聚积。

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