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

• 作者: 孟庆芬 梅冥相
• 来源期刊: 古地理学报
• 学科: 地球科学
• 关键词: 时间进程 氧气含量水平上升 大气圈 研究进展
• 年，卷（期）: 2016,（1）
• 所属期刊栏目: 综述
• 页码范围: 1-20
• 分类号: P534
• 语种: 中文
• DOI: 10.7605/gdlxb.2016.01.001

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.