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5.4億年前寒武紀生命大爆發永久性地改變了地球 其影響深度到達下地幔
2022-04-19 10:33:00   來源:化石網   評論:0 點擊:

5 4億年前寒武紀生命大爆發永久性地改變了地球 其影響深度到達下地幔(Photograph: David Swart Messengers of the Mantle Exhibition)(化石網整理)據中國科學報(劉文浩 劉學 王曉晨):近日,瑞


5.4億年前寒武紀生命大爆發永久性地改變了地球 其影響深度到達下地幔(Photograph: David Swart / Messengers of the Mantle Exhibition)

(化石網整理)據中國科學報(劉文浩 劉學 王曉晨):近日,瑞士蘇黎世聯邦理工學院的一項研究證實,5.4億年前動物種群大爆發永久性地改變了地球,其影響深度到達了地球下地幔。相關研究發表于《科學進展》。
 
地球碳循環受到沉積物質向地幔俯沖的強烈影響。沉積俯沖通量的組成在地球歷史上發生了較大的變化,但這些變化對地幔碳循環的影響尚不清楚。
 
蘇黎世聯邦理工學院地球科學系的研究人員基于對150余個來自地幔深處的金伯利巖樣品的碳同位素組成分析發現,年齡不到2.5億年的年輕金伯利巖的成分與較老巖石的成分差異很大。年輕的金伯利巖的碳同位素δ13C值接近典型的地幔值,而年齡小于2.5億年的金伯利巖顯示更低、分異度更大的δ13C值。研究人員看到了寒武紀大爆發中金伯利巖組成變化的決定性觸發因素,這個相對較短的階段發生在大約5.4億年前的寒武紀開始時的幾千萬年。
 
在這個劇烈的轉變期,幾乎所有現存的動物部落都是第一次出現在地球上。海洋中生命形式的顯著增加決定性地改變了地球表面,這反過來又影響了海底沉積物的組成。對于地球的下地幔來說,這種轉變是相關的,因為海底的一些沉積物,也就是死去生物的物質沉積,通過板塊構造進入地幔。沿著俯沖帶,這些沉積物連同下面的洋殼,被輸送到很深的地方。通過這種方式,作為有機物質儲存在沉積物中的碳也到達了地幔。在那里,沉積物與來自地幔的其他巖石混合,經過一段時間,估計至少2億~3億年,在其他地方再次上升到地球表面——例如以金伯利巖巖漿的形式。值得注意的是,海洋沉積物的變化留下了如此深刻的痕跡,因為總的來說,只有少量的沉積物沿著俯沖帶被輸送到地幔深處。這證實了地幔中俯沖的巖石物質不是均勻分布的,而是沿著特定的軌跡移動的。除了碳元素,研究人員還檢測了其他化學元素的同位素組成。例如,鍶和鉿這2種元素顯示出與碳相似的模式。這意味著碳的特征不能用其他過程來解釋,比如脫氣,否則鍶和鉿的同位素就不能與碳的同位素相關聯。
 
研究人員稱,新的發現為進一步的研究打開了大門。這些觀測結果表明,地球表面的生物地球化學過程對深部地幔有著深遠的影響,揭示了深層碳循環與淺層碳循環之間的緊密聯系。例如,磷或鋅等元素,它們受到生命出現的重大影響,同時也為認識地球表面過程如何影響地球內部提供了線索。(原標題:地球生命發展影響下地幔)
 
 
相關報道:寒武紀生命大爆發對地球深部碳循環的擾動
 
(化石網整理)據中國科學院地質與地球物理研究所(撰稿:張少華,紀偉強/巖石圈室):地球表層系統容易受到深部地質過程的影響,如火山、地震等自然災害可以影響生物圈的宜居環境。然而,地球淺部過程能否有效影響地球的深部圈層,則是一個值得研究的問題。板塊俯沖過程是地球表層物質進入深部的主要途徑,由于表層物質的碳含量和碳同位素(如有機碳)組成與地幔物質差異明顯,因此沉積物俯沖及相關的碳循環過程可能對深部碳組成產生影響。該潛在影響可以通過地幔來源巖漿巖的源區組成變化進行示蹤。金伯利巖是地球上目前已知的來源深度最大的巖漿巖,其巖漿源區包括克拉通巖石圈地幔以下(>150 km)、地幔過渡帶(410~660 km)、下地幔甚至核幔邊界等(Giuliani and Pearson, 2019)。因此,地質歷史上不同時期金伯利巖源區特征的研究有望揭示深部地幔組成受長期板塊俯沖過程的影響。近期瑞士蘇黎世聯邦理工學院Andrea Giuliani領導的小組研究發現,地球表層系統有機碳可以俯沖到地球深部,并在中生代以來(<250 Ma)進入金伯利巖等深部地幔來源巖石的巖漿源區(Giuliani et al., 2022)?紤]到地球深部物質的循環時間,作者認為金伯利巖源區組成的明顯變化與寒武紀生命大爆發后有機碳俯沖效率的增加有關。 
 
該研究小組對來自世界各地69個地區、年齡在2060~0.012 Ma之間的161件樣品進行了全巖CO2濃度、碳和氧同位素分析,主要研究樣品為金伯利巖和少量相關的方解霞黃煌巖。除了兩件來自芬蘭的樣品,所有年齡大于350 Ma樣品的δ13C值都落在了地幔的范圍內(δ13C:-4 ~ -6 ‰,平均值為-5 ± 0.6 ‰)。而32件年齡小于250 Ma的金伯利巖樣品中很多具有偏低且變化大的碳同位素組成,樣品分布范圍包括南非、加拿大東西部、巴西和澳大利亞南部。因此,這種碳同位素負漂趨勢并不是局部事件,而反映一個全球性的過程。但是對于碳同位素在約250 Ma時開始負漂,則有多種可能解釋:1)金伯利巖巖漿上升過程中富含CO2流體出溶(或脫氣)導致的碳同位素分餾作用;2)來自于低δ13C值頁巖或類似巖性圍巖的富CO2流體對地殼的混染作用;3)有機碳(δ13C=~ -20‰ - -30‰)來源的俯沖地殼物質再循環到深部地幔源區。 
 
隨后,作者進行了模擬計算分析,首先排除了CO2丟失在大多數金伯利巖碳同位素系統中的影響。作者認為:1)大多數地區的δ13C值變化程度有限,與CO2含量無關,金伯利巖顯示出很大CO2變化范圍;2)全球范圍內金伯利巖碳同位素比值與CO2濃度之間缺乏相關性可能是因為金伯利巖樣品中的CO2含量受到多個過程的控制(初始熔體成分、CO2去氣、地幔和地殼物質的同化混染、巖漿分異、熱液蝕變及伴隨的碳酸鹽巖交代作用等);3)C、Hf和Sr同位素具有較好的相關性,基本上可以排除CO2出溶作用導致低δ13C值的原因(因為Hf和Sr不會從熔體中定量地分配到出溶流體或氣相中);4)將年輕的金伯利巖(<250 Ma)較低的δ13C值歸因于CO2的去氣,這與較老的金伯利巖中缺乏輕碳同位素的組成特征不符。后者具有相似的體積組成,經歷了類似的上升和侵位過程,包括最近報道的去氣和流體出溶過程中CO2的丟失(Tappe et al., 2020)。 
 
另外,作者分析認為來自于低δ13C值頁巖或類似巖性圍巖的富CO2流體對地殼的混染作用在降低全巖13C/12C值的同時也會增加δ13O值到地幔值以上。分析結果表明,小于250 Ma的金伯利巖具有低于地幔值的δ13C值,卻表現出類似于地幔(La de Gras)和特別重(South Australia)的δ13O值,這些金伯利巖中δ13C和δ13O值之間沒有統計學上的明顯相關性。這些觀察表明,由高δ13O流體導致的地殼污染可能僅在局部產生影響,而不能控制全球金伯利巖的δ13C組成。 
 
最后,作者通過分析發現全巖δ13C值、初始176Hf/177Hf比值及鈣鈦礦初始87Sr/86Sr比值在統計學上具有很好的相關性。此外,混合模型和質量平衡計算結果表明,含有高達10%-15%的變質或部分去揮發分化的海洋沉積物(含有<1000 ug/g的有機碳)進入地幔源區可以生成與年輕金伯利巖相應的C、Hf同位素組成。這一結果與非洲南部、巴西和加拿大西部白堊紀金伯利巖中基于橄欖石氧同位素組成研究得到的最大程度再生物質貢獻的獨立模型一致(Giuliani et al., 2019)。因此,作者認為有機碳來源的俯沖地殼物質再循環到深部地幔源區是小于250Ma金伯利巖低δ13C值成因最合理的解釋。 
 
那么問題在于,地球表面經歷了怎樣的過程才導致了這樣的變化呢?作者通過系統地分析發現,金伯利巖中碳同位素在250 Ma開始變輕與金伯利巖噴發頻率的顯著增加一致,這通常被認為與顯生宙以來板塊冷俯沖的開始有關。但是,板塊俯沖熱狀態的改變無法解釋碳同位素的擾動。此外,傳統觀點認為的碳酸鹽巖和蝕變洋殼(含有機碳的比例不足20%)的俯沖無法提供充足的有機碳,并且碳酸鹽在弧前或弧下位置會被有效剝離(Tumiati et al., 2020)。相反,在高壓下,還原性有機碳(石墨/金剛石)在流體和板片熔體中的溶解度很低,限制了其從俯沖沉積物中的提取。最近一項關于沉積記錄中有機碳含量的研究表明,元古宙-顯生宙轉換期(寒武紀生命大爆發)有機碳沉積顯著增加(Sperling and Stockey, 2018),這可以很好地解釋顯生宙沉積有機碳俯沖至下地幔的較高通量。需要注意的是,雖然寒武紀生命大爆發后有機碳沉積和俯沖的增加可將輕碳引入深部地幔,但從寒武紀生命大爆發到~250 Ma之后金伯利巖的碳同位記錄的負漂移中間大約有300 Ma的滯后。作者認為這一滯后與地球動力學模擬結果吻合,即俯沖板塊大約需要250-300 Ma才能俯沖至核幔邊界并通過地幔柱相關的巖漿活動返回地表。這解釋了地球表面生物地球化學變化(寒武紀生命大爆發)與金伯利巖記錄的深部碳循環擾動之間的時間差。因此,寒武紀生命大爆發導致了有機碳埋藏和俯沖通量的增加,進而引起后期深部碳循環的明顯變化,并被小于250 Ma的金伯利巖所記錄。該研究通過深部地幔來源的金伯利巖構建了地球表層和深部碳循環之間的橋梁,并為全球碳循環研究提供了一個全新視角。 
 
主要參考文獻 
 
Giuliani A, Drysdale R N, Woodhead J D, et al. Perturbation of the deep-Earth carbon cycle in response to the Cambrian Explosion[J]. Science Advances, 2022, 8(9): eabj1325. 
 
Giuliani A, Martin L A J, Soltys A, et al. Mantle-like oxygen isotopes in kimberlites determined by in situ SIMS analyses of zoned olivine[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 266: 274-291. 
 
Giuliani A, Pearson D G. Kimberlites: from deep Earth to diamond mines[J]. Elements, 2019, 15(6): 377-380. 
 
Sperling E A, Stockey R G. The temporal and environmental context of early animal evolution: Considering all the ingredients of an “explosion”[J]. Integrative and Comparative Biology, 2018, 58(4): 605-622. 
 
Tappe S, Stracke A, van Acken D, et al. Origins of kimberlites and carbonatites during continental collision–insights beyond decoupled Nd-Hf isotopes[J]. Earth-Science Reviews, 2020, 208: 103287. 
 
Tumiati S, Tiraboschi C, Miozzi F, et al. Dissolution susceptibility of glass-like carbon versus crystalline graphite in high-pressure aqueous fluids and implications for the behavior of organic matter in subduction zones[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 273: 383-402. 

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