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图1.（a）当仅考虑海洋生态系统，地表氧气O-MIF的模拟结果；（b）当同时考虑陆地和海洋生态系统，地表氧气O-MIF的模拟结果。图中红线为根据中元古代O-MIF地质记录获得的近地面氧气O-MIF阈值。黑色虚线代表不同情景下，根据前人数值模式和地质观测所选取的二氧化碳的阈值。
日前，中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室李三忠团队刘鹏博士在美国国家科学院院刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）刊登了题为“Triple oxygen isotope constraints on atmospheric O2 and biological productivity during the mid-Proterozoic”（三氧同位素对中元古代大气氧含量和生物生产力的制约）的研究论文。该文利用一维光化学模式，基于氧同位素非质量分馏（O-MIF）地质记录探索了中元古代的大气氧含量（pO2）和生物初级生产力。
早期地球的大气氧含量经历了两次显著的增高。第一次是发生在距今约23亿年前的第一次大氧化事件， pO2很可能从极低水平提高到10-5PAL以上（PAL：现代大气水平）；第二次可能发生在距今约8亿-4亿年前，pO2大致增高到现代地球水平。而中元古代（约18亿-8亿年前）刚好介于这两次大气氧含量显著增高的阶段，大气氧含量很可能相对稳定，但具体水平仍存在较大争议。总初级生产力水平表征早期地球光合效应产氧速率，与pO2的协同演化规律也是尚未解决的重要科学问题。
地质记录表明，在距今约14亿年前的硫酸盐沉积物中O-MIF约为–0.9‰，远高于现代海洋硫酸盐中O-MIF水平。该文发展了氧同位素光化学模块，模拟不同背景氧气与二氧化碳浓度下，O-MIF的源汇及传输过程，并在模式中引入影响海洋-大气界面气体交换速率的物理制约。模拟结果表明，当仅考虑海洋生态系统时，氧气中O-MIF依赖于大气氧气与二氧化碳浓度。基于前人重建的中元古代二氧化碳阈值，中元古代的氧气浓度可能在0.8%-20%PAL之间（图1a）。当同时考虑陆地与海洋生态系统，甲烷的地表通量可能为现代水平的10倍，此时模拟得到中元古代的氧气浓度低于3%PAL（图1b）。所以，通过模式估计中元古代的大气氧气浓度，可能需要二氧化碳浓度和甲烷通量（浓度）的可靠重建数据的支撑。
该文提供了一种利用数值模式理论解析早期地球氧同位素非质量分馏地质观测的方法，有助于进一步理解早期地球中氧同位素非质量分馏信号、氧气浓度、二氧化碳浓度、甲烷地表通量、海气气体交换速率之间的耦合关系。
该论文由中国海洋大学与国内外相关院校合作完成，得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2105074118
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信息来源：中国海洋大学官网 海底科学与探测技术教育部重点实验室 刘鹏
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