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NG:早期地球可能是一個水的世界
2020-04-14 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  海洋化學沉積物和蝕變洋殼記錄了海洋的演變歷史。過去的研究發現,海洋化學沉積物的18O/16O比值隨時間推移而呈增加趨勢,但人們對這一規律有不同的解讀:一種可能是地球早期的海洋可能要比現代更為溫暖(前提是地球早期海洋的氧同位素組成與今天相似);也有可能是地球早期水巖反應的性質與現代地球有所不同,從而導致海洋氧同位素組成的系統演變。一般而言,海底熱液噴出時,高溫水巖反應會使熱液和海水更為富集18O同位素;而對于高出海面的大陸,低溫風化作用將使海洋虧損18O同位素。這兩個水巖反應過程的協同演化控制了海水δ18O隨時間的演化規律。 

  為準確厘定地球早期古海水的O同位素成分,愛荷華州立大學副教授JohnsonWing 構建了一種反演流體δ18O值的方法。這項技術可以通過全巖氧同位素和蝕變溫度,來反演區域尺度的水巖比,進而結合整個熱液系統的平均O同位素組成和蝕變溫度,得到蝕變流體的δ18O值。為證實該方法是否有效,他們將其應用于三個新生代-中生代海洋熱液系統,包括東太平洋海隆Hess Deep地區洋殼 (0.2 Ma), Fukazawa–Kosaka地區洋殼(14.2 Ma)Troodos蛇綠巖Solea Graben地區洋殼 (91.6 Ma),分別計算其蝕變海水的氧同位素成分,并與底棲有孔蟲殼體Mg/Caδ18O指標進行對比。盡管它們各自經歷了不同持續時間、不同強度的水巖相互作用,但反演得到的海水δ18O值與最近提出的中-新生代海水δ18O值基本吻合 (1),表明這一反演方法可以有效分辨不同時期的海水δ18O成分。 

  西澳Pilbara克拉通Panorama 地區的洋殼形成于3.24 Ga,近乎完整地保存了從淺部火山-沉積巖組成的古海床剖面到深成侵位的花崗巖熱源的巖石序列。O 同位素研究表明,靠近古海床部分的巖石具有較高的δ18O值,而在深部則具有較低的δ18O值,類似于現今蝕變洋殼和蛇綠巖的O同位素組成。將本文所提出的方法應用于Panorama熱液系統,可反演得到Panorama地區3.24 Ga時期海水δ18O值為3.3±0.1‰,比現代無冰海洋富集約4‰ (1)。 

  有研究認為,3.8 Ga也可能存在富集18O的海洋18O=+0.8‰+3.8‰,圖1),而新元古代晚期到顯生宙的海水δ18O大約在-1‰左右(1)。在更早時候,如地球早期巖漿海階段,極高的溫度(1200℃-1300℃)可能會使得原始海洋具有更高的δ18O成分 (+6‰+8‰,圖1)。那么這種海水δ18O成分長期下降的趨勢該如何解釋? 

  計算結果表明,現代氧循環速率和分餾系數可以使早期海洋的δ18O值下降到類似于現代的穩態δ18O值,但由于現代地球氧循環速度較快,平均每~40 Myr即可將一個現代海洋規模的氧元素循環完畢(∑Ki=26.1 Gyr-1,Ki代表以現代海洋質量進行標準化之后的O循環速率,可以指示10億年內一個現代海洋規模的O循環完畢所需的時間),因而無法解釋古太古代富集18O的海洋的形成。階躍指數衰減模型可以擬合海水δ18O長期下降的趨勢(1),但這一模型需要太古宙初期的地球總體氧循環速率是現代值的2%-4%∑ki=0.5-1.0 Gyr-1),并在2.5 Ga增加到現代水平??紤]到已有證據支持板塊構造在該時期就已啟動,如此緩慢的氧循環速率可能意味著相比于現代地球,太古宙多數時期板塊構造過程進行得十分緩慢。 

  還有另外一種可能的解釋。在不改變O循環速率的前提下,這一模型要求早期太古代水循環僅以海洋氧循環為特征,在3.2 Ga后的某個階段大陸氧同位素循環才開始啟動(1)。此外,這種模型還需要早太古代時期與洋殼高溫熱液蝕變相關的分餾系數 (1.4‰) 3 Ga后演化至現代值 (4.1‰)。該模型中,海洋δ18O值從最初的7‰迅速達到約3‰的穩定狀態,隨著大陸風化和陸源物質循環在2.5 Ga前后開始出現,海洋δ18O也逐步降低至現代值 (-1‰) (1)。 

  這兩種氧同位素演化模式都指示太古宙多數時間內僅有有限的大陸形成??傊?,富集18O的表層儲庫是使古太古代海洋δ18O演化至現代值的必要組分,這要求,在3-2.5 Ga前后,大陸開始高出海面,陸地風化作用開始進行,富粘土沉積物的地殼組分逐漸增多。這也意味著,在3-2.5 Ga以前的地球缺乏大規模出露水面的大陸,早期地球可能更像是一個水的世界。 

1 根據不同的O循環速率和不同的大陸出露時間計算得到的海水δ18O演化曲線?;疑驗椴煌瑢W者對不同時期的海底玄武巖計算得到的海水δ18O,橙色點為本文計算結果,其中,4.45?Ga(橙色框)海水δ18O值基于高溫下玄武質巖漿-水達到平衡和總體地球δ18O?=5.5‰的假設。插圖為依據底棲有孔蟲氧同位素和Mg/Ca比值估算的新生代和中生代海水δ18O成分。綠色區域表示太古宙“緩慢”的板塊構造過程,依據是太古宙多數時期水循環速率僅為現代值的2%-4%,在3?Ga時才增加到現代值。虛線表示大陸水循環在太古宙早期開始啟動,實線表示大陸水循環在太古宙晚期啟動(Johnson and Wing, 2020

  延伸閱讀 

  Bindeman I N, Bekker A, Zakharov D O. Oxygen isotope perspective on crustal evolution on early Earth: A record of Precambrian shales with emphasis on Paleoproterozoic glaciations and Great Oxygenation Event[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 437: 101-113.鏈接 

  Bindeman I N, Zakharov D O, Palandri J, et al. Rapid emergence of subaerial landmasses and onset of a modern hydrologic cycle 2.5 billion years ago[J]. Nature, 2018, 557(7706): 545-548.鏈接 

  Johnson B W, Wing B A. Limited Archaean continental emergence reflected in an early Archaean 18 O-enriched ocean[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(3): 243-248.鏈接 

  Spencer C J, Partin C A, Kirkland C L, et al. Paleoproterozoic increase in zircon δ18O driven by rapid emergence of continental crust[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 257: 16-25.鏈接     

  (撰稿:劉鵬,郭敬輝/巖石圈室)

 
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