日前，中國海洋大學海底科學與探測技術教育部重點實驗室李三忠團隊劉鵬博士在美國國家科學院院刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）刊登了題為“Triple oxygen isotope constraints on atmospheric O2 and biological productivity during the mid-Proterozoic”（三氧同位素對中元古代大氣氧含量和生物生產力的制約）的研究論文。該文利用一維光化學模式，基於氧同位素非質量分餾（O-MIF）地質記錄探索了中元古代的大氣氧含量（pO2）和生物初級生產力。
早期地球的大氣氧含量經歷了兩次顯著的增高。第一次是發生在距今約23億年前的第一次大氧化事件， pO2很可能從極低水平提高到10-5PAL以上（PAL：現代大氣水平）；第二次可能發生在距今約8億-4億年前，pO2大致增高到現代地球水平。而中元古代（約18億-8億年前）剛好介於這兩次大氣氧含量顯著增高的階段，大氣氧含量很可能相對穩定，但具體水平仍存在較大爭議。總初級生產力水平表徵早期地球光合效應產氧速率，與pO2的協同演化規律也是尚未解決的重要科學問題。
地質記錄表明，在距今約14億年前的硫酸鹽沉積物中O-MIF約為–0.9‰，遠高於現代海洋硫酸鹽中O-MIF水平。該文發展了氧同位素光化學模組，模擬不同背景氧氣與二氧化碳濃度下，O-MIF的源匯及傳輸過程，並在模式中引入影響海洋-大氣介面氣體交換速率的物理制約。模擬結果表明，當僅考慮海洋生態系統時，氧氣中O-MIF依賴於大氣氧氣與二氧化碳濃度。基於前人重建的中元古代二氧化碳閾值，中元古代的氧氣濃度可能在0.8%-20%PAL之間（圖1a）。當同時考慮陸地與海洋生態系統，甲烷的地表通量可能為現代水平的10倍，此時模擬得到中元古代的氧氣濃度低於3%PAL（圖1b）。所以，透過模式估計中元古代的大氣氧氣濃度，可能需要二氧化碳濃度和甲烷通量（濃度）的可靠重建資料的支撐。
圖1.（a）當僅考慮海洋生態系統，地表氧氣O-MIF的模擬結果；（b）當同時考慮陸地和海洋生態系統，地表氧氣O-MIF的模擬結果。圖中紅線為根據中元古代O-MIF地質記錄獲得的近地面氧氣O-MIF閾值。黑色虛線代表不同情景下，根據前人數值模式和地質觀測所選取的二氧化碳的閾值。
該文提供了一種利用數值模式理論解析早期地球氧同位素非質量分餾地質觀測的方法，有助於進一步理解早期地球中氧同位素非質量分餾訊號、氧氣濃度、二氧化碳濃度、甲烷地表通量、海氣氣體交換速率之間的耦合關係。
該論文由中國海洋大學與國內外相關院校合作完成，得到了國家自然科學基金、中國博士後科學基金等專案的資助。
（來源：中國海洋大學 ）
作者：劉鵬
編輯：遲佳
稽核：白天
