2017年国际地球科学十大新闻

    科学家们很想知道地球大气层中是如何充满氧的。英属哥伦比亚大学地质学家马泰斯·斯密特和他的研究伙伴克劳斯·梅兹格在年龄为十亿年的大陆岩石中找到了答案。

    虽然小的蓝藻细菌在光合作用时会以副产物形式产生氧，但地球早期大气和海洋是缺氧的。自由氧是指没有与C和N结合的氧原子，需氧生物以此为生。30亿年前，开始发生变化，海洋中出现了小范围的有氧区。24亿年前，仅仅2亿年，大气中的氧就增长了10000倍，这被称为大氧化事件。

    斯密特和梅兹格发现了在那一时期的大陆组成也有所变化，他们采集了年龄跨度约为几十亿年地球页岩和火成岩样品48000块，研究了其中的残留信息，认为大陆组成的变化与海洋开始聚集自由氧是在同一时期发生的。

    在氧化作用之前，大陆组成中富Mg贫Si——与今天冰岛和法罗群岛的大陆组成相似。但更重要的是，这些岩石中含有矿物橄榄石。当橄榄石与水接触时，发生化学反应，消耗氧并将其锁定其中。

    然而地壳逐渐演变成现今的组分，橄榄石消失。如果没有矿物与水反应消耗氧，氧气就会累积，海洋最终会饱和，氧会溢散到大气中。这一发现也有助于解释地球上生命的出现。

    超级火山是地球上致命的火山，能够产生巨大的喷发，摧毁大面积的区域，并能导致全球气候变冷。印度尼西亚的超级火山Toba在73000年前爆发过一次，2800m3的火山灰喷发到大气中，沉降下来淹没了印度尼西亚和印度的大部分地方。

    科学家们长期思考着这样一个问题：这些巨量的岩浆到底是如何形成的，是什么力量使这些岩浆爆发出来？乌普萨拉大学的研究团队与国际同行从火山灰和毫米级岩石中发现了蛛丝马迹。

    岩浆中的石英晶体记录了在喷发前岩浆系统的化学和热力学的变化，就好似树轮能够记录气候变化一样。当岩浆条件变化，晶体就会有响应并产生明显的生长区以记录其变化。

    研究者分析了Toba火山的石英晶体，发现在晶体的边缘同位素组成有变化：氧同位素比值相对较低，这暗示在大爆发之前岩浆系统发生了巨大的改变。化学成分变化表明岩浆融化并吸收了该区域大量的岩石，这些岩石本身氧同位素比值就低。此外岩石中还含有大量的水分，也被混入到岩浆中，形成蒸汽，由此也增加岩浆内部的压力。这些迅速增加的气压最终导致岩浆冲出地壳，喷发出大量的岩浆到大气中。

    已有研究一直在争论一个问题：地壳35亿年前看上去像夏威夷火山岩浆，但是美国芝加哥大学学者通过追踪地壳中金属元素Ti，重新绘制了早期地球的蓝图。早在35亿年前，就发生过重大的构造运动，比现在认为的时间早了5亿年（该项成果发表在《科学》杂志上）。

    地壳曾一度是由黑色的、富含镁铁的镁铁矿物组成。但如今大洋地壳和大陆地壳很不一样，大陆地壳颜色浅且富含长英质矿物（富含Si和Al）。两者是如何转换而分开的至关重要，矿物的组成影响着地球上生物的营养流。

    为了重建地壳组成转换的时间，地质学家们通常会研究页岩。但有一个问题就是必须调整数量来解释不同的风化和迁移速率。为了避免这一问题，Nicolas Dauphas（路易斯布洛克教授，地球物理科学系和恩里科费米研究所的实验室主任）和他的团队研究了页岩中的Ti。该元素不溶于水，也不会发生营养元素的生物循环，因此他们认为此数据误差小。他们将地球上不同年龄的页岩粉碎，分析记录Ti的存在形式，发现Ti同位素比值会随着岩石从铁镁质向长英质的转化而变化。但在此前的35亿年，这一比值变化很小，因此他们认为剧变发生在此关键节点之前。

    最新数据证实，地球有一个天然的恒温器，使得星球能够从极端气候变化中恢复，但是恢复的时间尺度意义重大。

    天然恒温器这一理念早在1981年就被提出，但是至今没有人能够提供确认冷热温度波动特定机制的数据。最近，英国研究团队的研究表明，地球从全球变冷事件的恢复与岩石风化速率有关。岩石被雨水或者河流溶解，此过程从大气中吸收CO2，被河流带入海洋并被固定在石灰岩中。风化作用越显著，大气中CO2就失去得越多。该团队之前就发现风化作用在高温阶段的地球冷却中所起的作用。而最近的研究则证实在地球冷却阶段风化速度的减慢，从而进一步支持了“地球恒温器”的观念。

    研究者通过岩石中的Li元素来测量风化程度。他们检测了赫南特冰川作用（约4.45亿年前）的岩石，对应了历史上第二次生物大灭绝时期，由于气温剧降以及海洋水平面下降，导致约85%的海洋生物灭绝。

    来自安蒂科斯蒂岛(加拿大魁北克省圣劳伦斯河口的岛屿) Dob’s Lin(在苏格兰的莫法特附近)的样品数据表明，由于冰期使得气温降低5 ℃，全球化学风化速率暂时性降低了四倍，大气中CO2下降减缓，使得气候逐渐恢复。

    加州大学洛杉矶分校主导的一项新的研究表明，月球的年龄比之前预测的更老。月球至少为45.1亿年，它的形成很可能在太阳系出现的60 Ma之后，比之前认为的早了40～140 Ma。这一结论的得出是基于分析了1971年阿波罗14号带回地球的锆石样品。

    关于月球年龄的问题，科学家们花了很多年，运用了各种科学技术，但仍是一个热议话题。

    2016年加州大学洛杉矶分校研究团队报道过：“月球是早期地球和被称之为theia的‘行星胚胎’发生碰撞形成”。但最新研究表明月球早在太阳系诞生之后的6000万年就形成——这一点至关重要，为科学家们研究地球和太阳系的演化提供关键的证据。

    月岩很难定年，因为大部分的月岩都包含了多种不同的岩石成分。但是Barboni鉴别并分析了8颗原始状态的锆石。尤其是，她分析出月球岩石中U元素如何衰变成Pb（普林斯顿大学实验室），Lu元素如何衰变成Hf（加州大学洛杉矶分校实验室质谱计分析）。利用这些研究结果最终可确定月球的年龄。

    地球与Theia的碰撞产生了一个液态的星球，它会逐渐固化。科学家们认为，月球表面被形成时期的岩浆覆盖。U-Pb年龄揭示了最早的锆石出现在月球初期岩浆洋的时间，这些岩浆冷却后形成月幔和月壳；而Lu-Hf年龄则反映了更早时的岩浆形成时间。

    前人得出月球年龄是基于某些月球岩石，这些岩石混染了经历过多次碰撞事件的信息，McKeegan认为那些岩石年代反映了其他事件的时间信息，而不是月球的形成事件（Science Advances）。

    土壤中蕴藏着大气3倍量的C，然而人们对它能减少大气中CO2水平，从而减轻全球变暖的机制鲜有了解。华盛顿州立大学的研究人员发现一个巨大的碳汇蕴藏在土壤矿物中，而并非地表下的一英尺之内。

    Marc Kramer，华盛顿州立大学环境化学系的一位助理教授，联合斯坦福大学、俄勒冈州立大学等同事认为全球土壤碳池的一半是在地表一英尺之下。他还发现在该深度的土壤有机质与矿物有关。他们是首次明确地考查了深部土壤矿物对氮和碳的控制程度。

    我们如果能够更多的了解这一过程，就能更好开展农业和采取其他的措施，使得C保留在土壤中，并能从大气中吸收C。Kramer报道，3/4的C是保存在地表3英尺的土壤中，这一部分土壤很易受到农业、畜牧业和林业管理的影响。

    Kramer早期的研究发现，一些农耕方式能够迅速增加土壤中的C水平，关于土壤如何保存C是一个新的技术领域，就是如何使C保留在土壤深部作为养分。（Biogeochemistry，和Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics ）

    起初，地球是一个荒无人烟的星球，没有氧气，仅有一些单细胞的细菌。一项新的研究结果指出，空气中氧的浓度在24亿年前开始上升，与此同时全球的冰川作用发育，所有的大陆都汇聚成一个巨型的陆地。

    Ulf Söderlund，瑞典隆德大学的科学学院教授指出：“我们的研究结果表明全球冰期作用和火山作用在同一时期发生。”

    另外，隆德大学最新的一项研究表明，这一时期称为“大氧化事件”——生命起源的关键时期。根据南非火山岩的年龄测定，全球冰川化的发育时间要比以往认为的早200Ma。全球冰川作用预示着星球表面的大部分都被冰雪覆盖。这样广泛的冰川发育事件被国际学术界称之为“雪球地球”。最近一次的“雪球事件”发生在6亿年前，此后，地球氧浓度显著增加。

    最近的研究发现魁北克北部37.7亿年前的岩石化石中存在微生物，这一发现又刷新了地球上生物的起源时间。如果考虑到当时地球年龄还不足10亿年，这一发现确实让人大为惊竒。

    这一发现无疑引起了科学界的争论，因为嗜铁菌侵蚀留下的化石、花丝、导管虫也可以作为地质过程的产物。尽管伦敦大学研究组仍然坚信他们的研究结果，但是对于生命起源正面临着微生物学研究的挑战。

    目前，Guillaume Caro，法国洛林大学的一位地球化学家，提供了观测这一科学问题的另一个视角。他认为地球早期地壳能够保存在古老岩石中，如何检测该信息可为研究地球的地质历史时期奠定基础 。他研究了冥古代魁北克北部的岩石，该时期约在40~45亿年前，那时海洋刚刚形成，大陆开始生长，生命有可能也刚开始呈现。

     Caro寻找经历了地球内部循环的早期岩石的踪迹，即在加拿大魁北克北部的Ukaliq表壳岩带，发现了短寿命放射性元素Nd-142的异常。

     “鉴于Nd-142很短的半衰期，这些异常只能产生于40亿年之前，因此我们可以用它来追踪最早的原地壳（proto-crust）到底发生了什么。” 他认为存在于这些具有38亿年年龄岩石中的同位素异常表明，（其同位素异常）其间还包含有此前6亿年的更古老地壳的残留信息。这些古老的地壳下沉进入地幔，循环引发新的岩浆作用。

    Caro进一步解释道，当古老地壳不再保存时，人们必须寻找隐藏在之后的同位素印迹。以前的研究者认为该地岩石年龄可达43亿年，但Caro认为岩石年龄实际上仅为37.5亿年，而只有Nd-142同位素异常实质上指示了更古老地壳的残留。 

    一项研究采用了新的数字图书馆和机器学习的数据，并用于读取并分析了数十年来百万计的地学出版物的精华，以揭示古生命神秘的面纱：为什么在地球历史长河中一度常见的叠层石终止了形成？

    叠层石是由微生物形成的扭曲的沉积物层，它们通常在灰岩和其他沉积在海洋环境下的古代沉积岩中。

     “在多细胞生物出现之前，地质学家知道在前寒武纪叠层石在浅海洋环境中长期存在。” Jon Husson，一位博士后与他的合作者认为，“但是在如今的海洋中叠层石却很罕见。”

     Shanan Peters，威斯康星大学地球科学教授认为，“古生物学家将发生在5.6亿年前叠层石的减少很大程度上归因于动物的演化，各种多细胞的生物，例如蜗牛以细菌为食。这些大的、以微生物为生的动物的出现完全改变了叠层石的世界，即，原有的生物演化故事就终止了。

     最新的研究并没有发现叠层石与生物多样性有很大的关联，但却发现了它与海水的化学组分关系密切。

     Husson认为：“叠层石盛行最好的指示是浅海沉积物中的白云石。”白云石是一种高镁的碳酸盐，在较低Mg的碳酸盐中白云石很难形成，如今也仅在较为狭窄的海域中形成。当海水中碳酸盐过饱和时，叠层石就很容易形成，如在今天非洲的Tanganyika湖，尽管各种动物如蛇和鱼也都在那里生存，但只要湖水碳酸盐过饱和，就开始有沉积，微生物就参与并帮助沉积，叠层石就甚为丰富。而增高了的碳酸盐浓度也有助于白云石的沉积，从而导致本文所发现的与叠层石生长的相关性。

    加拿大安蒂科斯蒂岛艾利斯湾悬崖壁的地层保存了Hirnantian冰川作用期间沉积的岩石。岛上收集的岩石样品锂水平表明硅酸盐风化，比如花岗岩和页岩，扮演了天然温度计的角色，可以稳定地球温度。

    早在1981年地质学家就提出岩石风化可以减少大气中的CO2，在此过程中，地球变冷。随着地球变冷，化学风化速度减缓，更多的CO2就会保留在大气中，然后再次使地球变暖。尽管这个天然的“恒温计”能够解释为什么火山爆发喷射出的CO2不能在大气中持续积累，但是这一机理的现实物证却仍未找到。

    但最新的研究发现4.45亿年前，冰川作用引起了新一轮的地球变暖。

    Lee Kump，宾夕法尼亚州立大学的一位地球化学家，解释道：“硅酸盐岩石，比如花岗岩，与溶解在雨水中的CO2反应，可将CO2转移到灰岩中，从而移除大气中的CO2分子。” Pogge von Strandmann，英国伦敦大学学院同位素地球化学家，补充道：“这一反应也释放了岩石中的锂元素，尽管在地层记录中很难分辨岩石变质是由于风化作用引起还是另有原因，但锂同位素能够提供一个相对简单直接的风化记录。”

    Pogge还补充道：“冰川作用之前，硅酸盐风化每年释放出150 Mt CO2。而在Hirnantian的峰期，我们计算模型中排放速率为35 Mt。”这表明减少了至少4-5倍的CO2量。随着漫长地质时间的积累，其数量足可使地球气候变暖。

    Kump指出，尽管这项新的研究认为外力很可能是恒温器的主导因素，地球表面硅酸盐岩石的暴露或许对风化作用也有较大的影响。在奥陶纪时期，山体隆起使得大量的硅酸盐岩石暴露在外，这一造山带位于美国东海岸，与酸雨发生反应促使风化加剧，导致大气中的CO2下降，冰层变厚并覆盖岩石，反过来降低了风化速率。

    Pogge说：“无论是造山作用还是温室作用，可以肯定的是地球恒温器确实存在，在某一个特定的时期和区域稳定地球的温度，这将有助于科学家们了解地球是如何避免极端的气候条件。”

满地宝 便携式钻机

上一篇：2018年！18大地勘单位的改革、转型和布局！
下一篇：中国地质大学教授用颠覆性原创理论探索干热岩获得成功