Nature：新太古代“氮同位素事件”——大氧化事件的序幕

Marine Sedimentology · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-12-09 00:00

主要观点总结

本文研究了太古宙末期至古元古代期间氮循环的变化，重点关注δ（15 N）值的转变以及其在揭示氧化还原状态和早期地球氧化事件中的作用。通过对巴西亚马逊克拉通的Serra Sul组岩石样品进行氮同位素分析，揭示了GOE前极微量氧气参与的特殊的氮循环。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景

从太古宙到古元古代，沉积物中的氮同位素值（δ 15 N）发生了显著变化，表明氮循环的重大变化。特别是在大氧化事件（GOE）前后，地球的氧化还原状况发生了显著变化，但沉积物的δ 15 N值记录没有出现显著波动。

关键观点2: 科学问题

本文旨在探究GOE前的氮同位素组成变化及其对早期地球氧化状态的指示，通过对比分析Serra Sul组和Tumbiana组的地质和地球化学特征，揭示这些特征如何反映当时环境的氧化还原状态以及如何影响GOE前的氮循环。

关键观点3: 核心发现

研究发现，尽管Serra Sul组与Tumbiana组的地质背景、沉积环境和古地理位置不同，但它们都记录了极正的δ 15 N值与极负的δ 13 C org值的耦合变化。这表明大约2.7亿年前地球上广泛存在一种特殊的氮循环过程。作者将这种异常高的δ 15 N值时期命名为“氮同位素事件（NIE）”。此外，研究发现NIE可能与地球早期海洋从完全无氧向缺氧和贫氧水体共存的状态过渡的中间阶段有关，分子氧的产生改变了环境的氧化还原电位，使得氮循环发生了从厌氧途径转变为以氨氧化为基础的中间态氮循环的重大转变。

正文

原文来源： Pellerin A, Thomazo C, Ader M, et al., 2024. Neoarchaean oxygen-based nitrogen cycle en route to the Great Oxidation Event. Nature, 633, 365–370.
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07842-x.

研究背景和科学问题

从太古宙到古元古代，沉积物中的氮同位素值（ δ ¹⁵ N ）在长时间尺度上大致从 +2 ‰ 模式（ 3.8 ~ 2.8 Ga ）转变为 +5 ‰ 模式（ 2.5 ~ 1.8 Ga ）。若大气 N ₂ 的同位素组成保持稳定（即 δ ¹⁵ N _air = 0 ‰ ），且 3.2 Ga 以来生物固氮作用同化的氮是维持生物生产所需的主要氮源，那么这种 δ ¹⁵ N 的变化趋势主要归因于氮生物地球化学循环的重大变化。即在缺氧的太古宙海洋和湖泊中（包括其表层水体），氮循环以铵为主； 2.5 Ga 后，快速氧化的表层水体中的氮循环演化为以硝酸盐为主。但在大氧化事件（ GOE ；约 2.45 Ga ）前后，地球的氧化还原状况发生了显著的变化，而沉积物的 δ ¹⁵ N 值记录没有出现显著的波动（图 1a ）。这表明基于氧的氮生物地球化学循环途径的出现与 GOE 在时间上不耦合。

在两种 δ ¹⁵ N 模式之间的过渡期（太古宙末期，约 2.8 ~ 2.6 Ga ），全球不同区域的沉积岩中均记录了极正的 δ ¹⁵ N 值（ +10 ‰ ~ +50 ‰ ）。由于这些极高的 δ ¹⁵ N 值往往对应极负的 δ ¹³ C _org 值（图 1b ），因此学者普遍认为这种高的 δ ¹⁵ N 值是由于湖泊的碱性水体中 NH ₃ 的脱气作用导致（例如，皮尔巴拉克拉通的 Tumbiana 组被证实为碱性湖泊沉积）。这意味着两种 δ ¹⁵ N 模式的过渡期记录的极高 δ ¹⁵ N 值不能反映当时全球的氮循环变化。本研究通过对 δ ¹⁵ N 过渡期巴西亚马逊克拉通的 Serra Sul 组的岩石样品进行氮同位素分析，揭示了 GOE 前极微量氧气参与的特殊的氮循环。

图 1 前寒武纪所有岩相的 δ ¹⁵ N （图 1a ）和 δ ¹³ C _org （图 1b ）数据汇总。不同颜色代表不同的变质等级（浅绿色：低于绿片岩相；绿色：绿片岩相；深绿色：高于绿片岩相）。本研究的样品由红点表示，只经历了低于绿片岩相的变质作用。

科学内涵

研究思路：

沉积岩的 δ ¹⁵ N 值可以追踪氧化还原相关的生物途径和早期地球氧化事件。为探究从太古宙到古元古代 δ ¹⁵ N 模式过渡期的氮循环，作者选取巴西亚马逊克拉通东南部 Carajás 盆地的 Serra Sul 组（形成时间约 2684 ± 10 Ma 至 2627 ± 11 Ma 之间）作为研究对象。该地层主要在海洋大陆架系统中沉积，具有从浅水到深水环境的沉积序列，包括斜坡相的不稳定性和碎屑流。通过对两个钻井（ GT13 与 GT16 ）中的 Serra Sul 组的沉积岩进行有机碳、氮同位素分析，分析在 GOE 前的氮同位素组成的变化及其对早期地球氧化状态的指示。

此前报道的 δ ¹⁵ N 值极高的 Tumbiana 组（约 2724 ± 5 Ma 至 2715 ± 6 Ma ）位于澳大利亚西部的皮尔巴拉克拉通的 Hamersley 盆地，主要由叠层石和多孔碳酸盐岩、钙质砂岩、多种火山和火山碎屑岩组成，指示其沉积于浅水环境并遭受频繁暴露。两个地层都经历了低绿片岩相（≤ 300°C ）变质作用，但没有证据表明 Serra Sul 组中存在同期的火山活动。约 2.75 Ga 时， Carajás 盆地位于低纬度地区，而 Hamersley 盆地在 Tumbiana 形成时期位于高至中纬度地区。作者通过比较 Serra Sul 组和 Tumbiana 组的地质和地球化学特征，分析这些特征如何反映当时环境的氧化还原状态，以及如何进一步影响 GOE 前的氮循环。

核心发现：

1 ）虽然 Serra Sul 组与 Tumbiana 组的地质背景、沉积环境和古地理位置不同，但二者均记录了极正的 δ ¹⁵ N 值（ > +30 ‰ ）与极负的 δ ¹³ C _org 值（ < −40 ‰ ）的耦合变化（图 2 ）。表明在大约 2.7 亿年前，地球上广泛存在着一种特殊的氮循环过程。但值得注意的是，其他的新太古代次绿片岩相变质作用的盆地中除极正的 δ ¹⁵ N 值外，也记录了较低的 δ ¹⁵ N 值（ −1 ‰ 至 +6 ‰ ）。作者将地球历史中这种异常高的 δ ¹⁵ N 值时期命名为“氮同位素事件”（ Nitrogen Isotope Event, NIE ）。

2 ）此前的研究表明，新太古代极正的 δ ¹⁵ N 值被认为是由于在高 pH 环境下 NH ₃ 的脱气作用所引起的。当 pH 超过 9.2 时， NH ₄ ⁺ 会解离为 NH ₃ 释放到大气中，这个过程伴随着显著的氮同位素分馏——在 23℃ 时，分馏值可达 +45 ‰ 。同时，氨的脱气作用会导致的水柱中氮的非生物性损失，这与 Tumbiana 组沉积物的低 TN 和高 TOC/TN 比（ TN ：总氮含量， TOC