古老岩石中被困气体挑战全球对20亿年前碳异常的解释
古老岩石中被困气体挑战全球对20亿年前碳异常的解释。图片来源：佩克塞尔斯的卡特琳·博洛夫佐娃
（神秘的地球uux.cn）据加州理工学院（作者：Katie Neith）：大约25亿至2亿年前，地球表面经历了历史上最大的化学变化，当时大气中氧气变得丰富，最终促成了五亿年前出现的复杂生命形式，如植物和动物。
在氧气首次上升过程中，大量微生物生物量被埋藏在海底，并将碳锁定在具有异常同位素特征的岩石中。许多研究人员认为，这种特征是全球碳循环失衡的标志。
支持全球事件的化学证据在钻探岩芯中被发现——从深地下拉出的长圆柱体固体岩石——这些岩芯取自俄罗斯卡累利阿和加蓬弗朗西维利亚盆地的古老海床地层。然而，现在，加州理工学院领导的新研究对这些地球化学线索提出了质疑，他们表示俄罗斯钻芯证据可能有另一种解释。
加州理工学院高级科学研究员尼维迪塔·蒂亚加拉詹（博士 '12）说：“一个主要争论集中在一种异常的碳同位素信号上，这种信号常被解读为全球环境变化的证据，她在约翰·艾勒实验室工作。艾勒是地质与行星科学部罗伯特·P·夏普教授、特德和金格·詹金斯领导力主席。
“我们研究了俄罗斯卡累利阿扎奥内加组岩石中微小囊中被困的气体，该地层是世界上最古老的化石油田之一，发现该关键地点的碳同位素信号可以用发生在数百平方公里沉积盆地的局部现象来解释，而非遍及全球。”
争议中的信号
蒂亚加拉詹是最近发表在《地质学》期刊上的一篇论文的主要作者，该论文解释了团队在大气中首次大规模氧气积累后，重建卡累利阿岩石记录变化的方法。
碳同位素——即该元素的重或轻形式——在生物量中留下了数十亿年前积累的地球化学信号，并为其来源提供了线索。钻探岩心中碳同位素比值的测量，或碳同位素信号，就像树轮一样，成为地球过去环境变化的时间线。
在卡累利阿扎奥内加组及加蓬另一地点岩心样本中观察到的碳同位素异常被称为春加-弗朗西维尔事件，被引用为约20亿年前全球碳循环变化的证据。
“在大气中出现氧气的那段时间，地球在某种程度上变得疯狂。我们试图评估的是地球含氧的原因和后果，“挪威特隆赫姆地质调查局（NGU）研究员兼该研究合著者艾沃·莱普兰解释道。“这些信息都保存在岩石里，所以要研究发生了什么，你必须研究岩石。”
追踪古老岩石中的气体
为了从不同角度探索顺加-弗朗西维利事件，研究团队利用位于NGU的钻探岩心，研究扎奥内加组富含火煤矿的流体包裹体中被困气体的分子和同位素组成，该组是古代海洋沉积盆地的一部分。火煤沥青是一种不溶性有机碳，当被困的原油或煤油——天然气的来源——暴露在地下深处的高温下时形成。
合作始于莱普兰来加州理工休假。Lepland带来了一份关于扎奥内加岩石中被困气体的同位素特征的新数据集，这些气体尚未被解读。与此同时，蒂亚加拉詹和艾勒刚刚完成了天然气同位素比的测量工作，这促使他们发展出一个广泛的理论来解释天然气形成的机制。
结合数据和专业知识，团队得出了困气体同位素特征的惊人解释。他们的假说表明，一层岩浆穿透了扎奥内加组的海洋沉积层——当时深藏在史前海洋之下——并加热了富含有机物的沉积物。
这产生了甲烷和丙烷等烃类分子，这些分子向上迁移，喂养海底附近的食甲烷微生物，产生具有轻碳同位素特征的生物质。团队的测量显示，岩浆侵入体旁的温度梯度从350°C（662°F）到约300米（980英尺）高的古老海底沥青泄漏处的72°C（162°F）不等。
“这一地质和生物过程链可以解释在扎奥内加组记录到的异常碳同位素信号，”蒂亚加拉詹说。“有趣的是，我们在现代油气盆地观察到的一些相同的特征，也存在并保存在20亿年前的样本中。”
问题现在转向加蓬
虽然研究人员表示无法完全排除其他过程的贡献，但他们的数据支持扎奥内加组碳同位素异常主要由局部而非全球驱动因素。
“由于扎奥内加是春加-弗朗西维尔事件的参考地点，我们的发现提出了关于是否应被视为全球性事件的重要问题，”蒂亚加拉詹说。
接下来，团队计划通过国际大陆科学钻探计划资助的GOE-DEEP项目从加蓬采集的样本，探讨相同的局部过程是否能解释记录中观察到的类似同位素信号。2025年夏季，莱普兰在加蓬协调钻探活动四个月;这些岩芯于二月抵达NGU，并将在今年晚些时候由来自18个国家的国际科学团队采样。
“现在我们可以通过对加蓬岩石进行类似的研究来比较这两个地点，真正把事情整合起来，”莱普兰说。“这就是科学进步的方式。”
出版信息
Nivedita Thiagarajan 等，俄罗斯扎奥内加组古元古代热成烃生成，地质学（2026）。DOI：10.1130/g54338.1
