PNAS：早期地球CO2溫室效應可解釋“黯淡太陽悖論”和低海水18O/16O比值

摘要：如果太古宙時期海水氧同位素的組成與現在相近，那麼根據古沉積物較低的¹⁸O/¹⁶O的比值（δ¹⁸O），可以推斷當時海洋溫度可達70℃，這與地球早期氣候並不寒冷、有液態水存在相吻合。但是，由於新生太陽輻射強度較低（約為現在的70％），地球本應較現今地球寒冷得多、不應存在液態水（圖1），這就是1972年由天文學家Carl Sagan和George Mullen提出、但迄今懸而未決的“黯淡太陽悖論”（Faint Young Sun Paradox）。為解決這一難題，以德國科隆大學為首的科學家Daniel Herwartz及其合作者透過研究太古宙早期沉積物的三氧同位素組成，在原“溫室假說”基礎上做出了進一步解釋：早期地球大氣富含二氧化碳，導致當時的洋殼發生強烈碳酸鹽化和矽酸鹽巖風化作用，消耗大量的¹⁸O，導致海水中¹⁸O/¹⁶O比值隨時間不斷髮生改變，最終使得估算的海水溫度偏高（即沒有～70℃那麼高）；δ¹⁸O_sw在32億年以前大約為-5‰，之後逐漸升高趨於穩定，大約30億年時，海洋具有與現今相似的氧同位素組成。30億年前地球高大氣二氧化碳分壓產生的溫室效應，有效抵消了“早期黯淡太陽”的影響，使當時的地球處於溫暖但不炎熱的氣候。此外，Daniel Herwartz等認為上述事件的時間節點，可能與地球早期板塊構造誕生、大陸地殼生長等重大地質事件相關。

在45億年以前的地球形成初期，從凝固的岩漿洋中脫氣形成的二氧化碳含量與現在金星上測得的含量（二氧化碳分壓pCO₂為～90bar）很可能是相近的。後來，在早期地球的大氣R_A、海洋R_O以及洋殼R_OC儲庫之間的動態碳迴圈最終將大氣二氧化碳分壓（pCO₂）穩定在1.5bar左右。地球演化歷史過程中不斷降低的pCO₂反映了碳從大氣-海洋-洋殼儲庫系統（R_A+O+OC）到地幔和新形成的陸殼碳儲庫(R_CC)中的淨轉移，後者提供長期的碳匯，其中碳以無機碳（碳酸鹽巖）和有機物（有機質—豐富的頁岩、煤、石油以及天然氣）的形式被儲存。

早期碳迴圈模式預測太古宙時期大氣二氧化碳分壓pCO₂普遍較高，以解釋“黯淡太陽悖論”假說（Goldblatt and Zahnle, 2011; Feulner et al., 2012）。而事實上太古宙末期pCO₂估計值卻很低（~0.01到0.1bar）。已有的沉積記錄證據表明，相較於29–27億年（即太古宙末期），32–30 億年期間pCO₂卻高得多。前人認為，在32–30億年期間pCO₂甚至會有幾bars的變化，這與新太古代相對低得多的pCO₂估算值（圖2）或27億年時古大氣壓力估算值（小於2bar和<0.5bar）相符合。大氣CO₂混合比的下降也反映在30億年以前的太古宙時期，當時鎂鐵質地殼(綠巖帶)通常以顯著的碳酸鹽化和矽酸鹽風化為特徵，這與現今表現顯著不同。這些觀測結果為30億年之前以pCO₂驟降開始的古大氣二氧化碳分壓的波動提供了證據。

圖1 太陽的生命演化週期及“黯淡太陽悖論”。新生太陽輻射強度較低，約為現在的70％，但是早期地球並不寒冷、有液態水存在。這就是著名的“黯淡太陽悖論”（ Güdel, 2011）

今天，碳酸鹽化作用（即洋殼蝕變形成碳酸鹽）主要發生在地殼形成後的前2000萬年(Gillis and Coogan, 2011)洋中脊相對較冷的離軸熱液系統中。白堊紀-侏羅紀時期，洋殼的高度碳酸鹽化形成較高含量的溶解無機碳。因此， pCO₂越高（即R_A+O+OC碳儲庫越大）意味著碳酸鹽化程度越高。如今，碳酸鹽巖多呈脈狀充填在洋殼上部300米(Gillis and Coogan, 2011)至2公里深處，它廣泛地取代了太古宙綠巖帶中的玻璃質和火成岩礦物。32億年時期，澳大利亞Pilbara地區古洋殼固定的二氧化碳含量約為1.2Ga×107mol·m^-2(±10%)，這個顯著的數值比當今大了兩個數量級。而在26億年，洋殼中碳酸鹽化程度要低得多，這反映了中太古代時期pCO₂的急劇下降（圖2a）。

圖2 碳的大氣-海洋-洋殼儲庫（R_A+O+OC）大小隨時間的變化及其對pCO₂的影響(Herwartz et al., 2021)。A圖所示為R_A+O+OC碳儲庫的大小及其在洋殼（R_OC灰色部分）、海水（R_O深藍色部分）和大氣碳庫（R_A淺藍色部分）之間的分配。碳向長期碳庫R_CC和地幔(綠色部分)的轉移降低了R_A+O+OC碳儲庫的大小，後者在32 億年時所佔比例仍然很大，在24 億年全球冰川作用開始時最小。B圖顯示在地球歷史上海洋的兩條pH變化曲線，以說明在給定時間內，R_A和R_O固碳量與pCO₂的轉換關係

由於二氧化碳分壓的量化轉換需要做出一些假設，已提出的pCO₂變化曲線並沒有考慮來自沉積物記錄和洋殼碳酸鹽化、矽酸鹽化程度（Shibuya et al.,2017）方面的定性證據。儘管如此，太古宙早期pCO₂可能與最初預測的一樣高，隨後中太古代顯著下降（Shibuya et al.,2017），達到與新太古代古大氣二氧化碳分壓一致的水平（圖2c中“c”）。相較於R_A+O+OC碳儲庫的減少，pCO₂向當今水平的進一步降低反映在海洋pH值的增加上（圖2）。因此，在太古宙晚期，碳酸鹽化作用對δ¹⁸O_sw值影響不大。在這裡，Herwartz et al.(2021)重點討論了中太古代pCO₂下降前，高度碳酸鹽化（Shibuya et al., 2017）和矽酸鹽風化作用產生的碳通量，並模擬了各自對古海洋δ¹⁸O_sw的影響。

海水的δ¹⁸O_sw值受岩石圈和海洋之間的氧通量F_i控制。相較原始矽酸鹽地殼(δ¹⁸O值約為5.5~12‰），低溫風化產物（如粘土：δ¹⁸O值約為～20‰，甚至25‰以上）通常具有更高的δ¹⁸O值。因此，大陸低溫風化作用（以通量F_cw表示）和洋底低溫風化（F_sfw）透過從水圈提取重的¹⁸O，從而降低了海水的δ¹⁸O_sw值。洋殼發生熱液蝕變(約250~350°C)，形成的岩石δ¹⁸O值(約4.5‰)比原始洋殼玄武岩(約5.8‰)低1~2‰，從而增加了海洋中(F_sp)¹⁸O含量。經典的質量平衡模型也考慮了地幔水迴圈（Fr）和大陸增生（Fcg）的次要影響。

為了解釋化學沉積物中近15‰的δ¹⁸O隨時間發生的轉移，需要氧通量F_i發生極端且難以協調的變化。如圖3所示，即使是海水中發生5‰δ¹⁸O_sw的轉移，都需要非常高的大陸風化速率（F_cw高於當今速率的10倍）或非常低的熱液蝕變通量（F_sp低於當今通量的0.15倍）。除了對前寒武紀古環境造成的顯著影響外，這種通量變化也將導致前寒武紀矽質岩具有比文獻記載更高的Δ^’17O（圖3）。這是目前公認的反對用海洋較低的δ¹⁸O_sw來解釋前寒武紀化學沉積物具低δ¹⁸O值的有力論據（Sengupta and Pack, 2018）。大部分矽質岩Δ^’17O資料沒有落在圖3b中的黑色平衡曲線上，表明這些樣品受到了沉積後蝕變過程的影響。蝕變會降低δ¹⁸O和Δ^’17O值，因此，大多數三氧同位素資料似乎表明沉積後蝕變是影響δ¹⁸O長期變化的最可行的解釋（Sengupta and Pack, 2018）。由於取樣大小的要求，在自然條件下對δ¹⁸O的測量表明，相較於最原始的δ¹⁸O，用於測量Δ^’17O_chert蝕變最少的矽質岩的δ¹⁸O含量要低一些。然而，南非巴伯頓綠巖帶儲存完好的矽質岩的三氧同位素組成落在與太古宙熱海水一致的平衡線上(Lowe et al., 2020)。結合兩種技術的資料，Lowe et al. (2020)得出結論：“太古宙時期的地球表面溫度遠遠高於當今溫度，可能高達66–76℃”。

圖3 不同模式下Δ^’17O_sw與δ¹⁸O的關係圖及已報道的矽質岩同位素組成(Herwartz et al., 2021)。A圖顯示了單個通量變化對海水成分的影響。當F_sp(綠色)明顯降低或F_cw(灰色)明顯升高時，海水的δ¹⁸O_sw降低，但相應地Δ^'17O_sw增加。B圖顯示實測矽質岩三氧同位素組成與模式的差異。與現代海水相平衡而沉積的二氧化矽在各自的沉澱溫度下必然落在圖中黑色平衡曲線上。模式預測F_cw增加或F_sp降低將導致海水具低δ¹⁸O_sw，圖中綠色區域顯示了在F_cw增加或F_sp降低將導致海水具低δ¹⁸O_sw條件下，沉積的矽質岩Δ^’17O的預期組成。灰色實線和點狀虛線分別表示在情景a和b下的沉澱。淺棕色區域涵蓋了所有可能的方案

這一解釋基於海洋的δ¹⁸O_sw總是與現在較接近的假設。海洋的δ¹⁸O_sw是恆定的，這一經典、似乎有力的觀點源於洋殼剖面具有大致恆定的δ¹⁸O組成。有人提出，低δ¹⁸O_sw組成的海水會驅使蝕變洋殼的氧同位素組成發生改變，使其達到與受富輕同位素大氣降水蝕變的岩石一樣的較低水平。然而，大氣降水引起的區域性地殼蝕變是一個開放系統，而海洋儲庫對洋殼的整體蝕變應視為一個封閉系統。為了從海水中提取¹⁸O，相應地作為補充儲庫必定包含¹⁸O。有趣的是，太古宙綠巖傾向於輕微富集δ¹⁸O，從而提供了¹⁸O匯。30億年以前太古宙地體的典型特徵是高度矽酸鹽風化，這可以很好地解釋太古宙綠巖δ¹⁸O整體升高的現象，在本文中，綠巖即為補充儲庫，其高δ¹⁸O用於補充海洋貧化的δ¹⁸O。Herwartz et al. (2021)認為，透過碳酸鹽化和強烈矽酸鹽風化固碳的重要意義被忽視了，兩者都與太古宙的高pCO₂有關，它們可以解釋地質歷史時期在化學沉積物中長期存在的氧同位素謎題。

即使在海水δ¹⁸O_SW相對偏低、沉降溫度較高的情況下，大部分前寒武紀矽質岩的三氧同位素組成仍需要蝕變來解釋(圖3)。層狀矽質岩通常認為是海底暖/熱水或熱液柱沉積作用的產物。然而，前寒武紀蘇必利爾型條帶狀矽鐵構造無疑來源於大陸棚等較淺的海洋環境的原生沉澱物。由於陸表海內的地表水一部分源於大氣降水，所以其δ¹⁸O可能較低，相應地Δ^’17O可能僅略微升高。另外，鐵相(具有低δ¹⁸O_FeOx)和二氧化矽條帶(具有高δ¹⁸O_opalA)之間的同位素交換降低了矽質岩的δ¹⁸O_chert，生成了位於平衡曲線之下的Δ^’17O_chert。伴隨大氣降水的蝕變與一種被認為能夠導致較低的Δ^’17O_chert組成的混合機制相似。隨著時間的推移，這些過程的不同組合導致化學沉積物的氧同位素組成相當分散(圖4)。總的來說，太古宙δ¹⁸O記錄可以結合經典的觀點進行合理解釋：1)一個相對較低的δ¹⁸O_sw；2)溫暖的海洋溫度；3)蝕變。

圖4 根據提出的δ¹⁸O_sw 變化繪製的地球歷史時期氧同位素組成記錄(Herwartz et al., 2021)。箭頭表示R_A+O+OC碳儲庫規模變化所帶來的預期的升溫(紅色)和降溫(藍色)趨勢。矽質岩和方解石的溫度校準定在δ¹⁸O_sw=-5‰，磷酸鹽的溫度校準定在δ¹⁸O_sw =-3‰。顯然，具有更高δ¹⁸O的碳酸鹽礦物是白雲石，其δ¹⁸O一般比方解石高約2‰

儘管最原始的太古宙矽質岩也有一定程度的蝕變，但由於30億年以前發生強烈碳酸鹽化和矽酸鹽風化作用，它們的氧同位素組成仍然反映出太古宙海水較低的δ¹⁸O。這一推測有待其他型別化學沉積物的高精度三氧同位素分析進一步驗證。最終，“看透”成岩作用的概念可以揭示太古宙海水最切實可行的三氧同位素組成。對明顯未蝕變的磷酸鹽的三氧同位素組成的分析甚至可能會直接約束太古宙海水的δ^'17O_sw和沉澱溫度。精確的Δ^'17O_sw將進一步限定可能的太古宙氧通量，包括固碳量在其中所佔的相對比例。約束條件還可以提供在特定時間內處於活躍狀態的相關構造資訊(例如，拗沉作用(Sagduction)和俯衝作用(Subduction)，高與低的擴張速率等)。

從這裡提出的模式來看，降低海水δ¹⁸O組成需要較高的CO₂通量，這對於高pCO₂的大氣組成是最可行的。太古宙pCO₂的精確水平很可能像過去的十億年一樣劇烈波動。pCO₂的巨大波動，如中太古代時期的驟降，應當會引起δ¹⁸O_sw的顯著變化。事實上，氧同位素記錄的確記錄了相應地變化(圖4)，這意味著當時碳酸鹽化和矽酸鹽風化過程確實大到足以顯著降低δ¹⁸O_sw。根據化學沉積物中得到的相對較低的δ¹⁸O_sw值，結合30億年以前沒有發現冰川的證據，由此推斷出早期地球的氣候非常溫暖。就激烈爭論的“黯淡太陽悖論”而言，這意味著在太古宙大部分時期，溫室氣體的濃度普遍很高。Herwartz et al.(2021)的研究支援最初的觀點，即至少在中太古代pCO₂明顯下降之前，二氧化碳（而不是CH₄）產生的溫室效應引起氣溫升高，從而抵消了“早期黯淡太陽”的較低輻射強度造成的影響。由於高溫會加速二氧化碳的風化速率，從而導致pCO₂的下降，那麼與顯生宙相比，明顯更加溫暖的太古宙時期的溫度便引出了一個問題，即pCO₂是如何在持續溫暖的氣候中保持高濃度水平，並將地球表面維持在一個“剛剛好”的溫度視窗。

早期地球的碳從R_A+O+OC儲庫向R_cc和地幔儲庫(即長期儲層)轉移的效率可能是很低的。那時的陸殼少得多，因此陸殼儲庫較小。由於碳在薄的地殼邊緣的有效迴圈和酸雨的存在(由於高pCO₂)，碳在早期大陸上的停留時間可能比現在要短。為早期地球提出的拗沉構造與高熱梯度相關，後者會導致碳的有效迴圈，從而降低地幔固碳的效率。現代板塊構造理論為陸塊增長和加厚陸殼，地形和陸表的產生提供了一種機制(Dhuime et al., 2015)。這對pCO₂產生的兩個負反饋是:1)建立了穩定的、長期存在的碳儲庫；2)增加了風化岩石的含量，從而提高大陸上CO₂風化通量。在新太古代之前，僅有較小的古陸（稱為陸核）存在，直到25億年前，海平面上開始有大規模的陸塊出現。在此之前的幾億年間，R_A+O+OC碳儲庫的規模急劇減小，表明碳已經被重新分配到正在演化的大陸地臺的長期儲庫中(Dhuime et al., 2015)，在原始顯生宙型別的俯衝帶中，碳向地幔的轉移更加有效。因此，pCO₂的急劇減少可能是垂向拗沉構造向水平俯衝型構造快速或逐漸轉變的結果，並從大約30億年前開始產生了厚的、富矽的大陸地殼(Dhuime et al., 2015)。

主要參考文獻

Dhuime B, Wuestefeld A, Hawkesworth C J. Emergence of modern continental crust about 3 billion years ago [J] . Nature Geoscience, 2015, 8 (7) : 552-555.

Feulner G. The faint young Sun problem [J]. Reviews of Geophysics, 2012, 50(2): RG2006.

Gillis K M, Coogan L A. Secular variation in carbon uptake into the ocean crust [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 302(3-4): 385-392.

Güdel M. Faint Young Sun Paradox // Gargaud M. et al. (eds). Encyclopedia of Astrobiology. Berlin, Heidelberg: Springer.2011.

Goldblatt C, Zahnle K J. Faint young Sun paradox remains[J]. Nature, 2011, 474(7349): E1-E1.

Herwartz D, Pack A, Nagel T J. A CO₂ greenhouse efficiently warmed the early Earth and decreased seawater 18 O/16 O before the onset of plate tectonics[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(23).

Lowe D R, Ibarra D E, Drabon N, et al. Constraints on surface temperature 3.4 billion years ago based on triple oxygen isotopes of cherts from the Barberton Greenstone Belt, South Africa, and the problem of sample selection[J]. American Journal of Science, 2020, 320(9): 790-814.

Sengupta S, Pack A. Triple oxygen isotope mass balance for the Earth's oceans with application to Archean cherts[J]. Chemical Geology, 2018, 495: 18-26.

Shibuya T, Komiya T, Takai K, et al. Weak hydrothermal carbonation of the Ongeluk volcanics: evidence for low CO₂concentrations in seawater and atmosphere during the paleoproterozoic global glaciation[J]. Progress in Earth and Planetary Science, 2017, 4: 31.

上下滑動檢視

美編：陳菲菲

校對：李玉鈐、趙娜