【前沿報導】Science：地球早期海洋溫度並非想像中那麼高
佔據地球表面積70%以上的海洋，是生命起源、繁衍與生息之地，同時也是決定地表溫度，即氣候的最重要因素。它的冷熱狀態，即溫度變化影響著地表環境及表生地球化學作用，也影響著地球的生命演化。一般來講，現代海洋的水溫變化在-2℃到30℃之間，平均約為20℃。而對於古海洋，特別是寒武紀之前 (>5.4 Ga) 的地球早期海洋，它的溫度卻一直存在爭議，估計從10℃到85℃不等，這在一定程度上影響了對早期生命孕育條件的認識。
地質時期海相燧石的矽與氧同位素、蝕變洋殼的氧同位素記錄，以及遺傳蛋白質重建等眾多證據表明地球早期海洋的溫度會較高，可達85℃。但是，這些證據均存在各自的不確定性。例如，燧石自沉積之後會經受後期成巖和變質作用的改造，影響其矽和氧同位素組成的保存。此外，前寒武紀海洋富鐵，鐵質的沉澱可能也會造成燧石中矽同位素的變化 (Zheng et al., 2016)。儘管如此，較多學者目前仍傾向認為早期海洋的溫度遠高於現在，因為沉積的各種礦物和巖石（碳酸鹽巖、燧石和海綠石等）的氧同位素組成（即δ18O值）一致顯示出自太古代以來持續增加的變化趨勢（圖1）。然而，對於這種全球普遍趨勢還存在另一種解釋，即海洋沉積物的δ18O值長期升高可能與海水δ18O值的增加有關，而並非與海水溫度有關。讓人疑惑的是，由於這些沉積巖和礦物的礦物-水氧同位素分餾機制很相似，都與溫度相關，因而無法區分何種解釋更為準確。
圖1 不同沉積巖和礦物的氧同位素隨時間的變化趨勢，自左至右分別為燧石、碳酸鹽巖、磷塊巖、海綠石、頁巖和鋯石（見Galili et al., 2019補充材料）
在此背景下，以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所Nir Galili 博士和其合作者最近在Science上撰文認為，氧同位素變化的這種趨勢應與海水的氧同位素變化有關，而與海洋溫度無關；進而推測，地球早期海洋溫度並非像傳統認為的會那麼高。他們創新性地使用了鐵氧化物的氧同位素地質記錄來破解這一科學難題，鐵氧化物的氧同位素對溫度變化不敏感，因此鐵氧化物的同位素變化的原因可能為破解各類沉積物和礦物的變化趨勢提供正確的解釋。儘管前人的研究已經表明溫度對鐵氧化物和水之間的氧同位素分餾影響是較弱的，沉積後的作用也影響甚微，作者仍開展合成實驗，以期證實真實性。他們採用不同的pH值和溫度來合成針鐵礦和赤鐵礦，發現其氧同位素分餾與溫度的相關性確實較弱，每20℃僅有～1‰的變化 （圖2）。
圖2 鐵氧化物-水的氧同位素分餾與溫度的關係。
A.針鐵礦-水；B.赤鐵礦-水（Galili et al., 2019）
考慮到後期成巖作用會產生二價鐵離子和含二價鐵的礦物，作者對樣品進行了嚴格篩選，排除了再結晶或蝕變形成的氧化鐵，也排除了含有機質含量較高（1%）和含較多二價鐵礦物的樣品，進而對過去近20億年的海相鮞粒狀鐵礦石中鐵氧化物的氧同位素特徵進行了分析，發現氧同位素同樣具有與燧石和碳酸鹽巖相似的時間變化趨勢，即在前寒武紀逐步上升，進入到顯生宙趨於穩定（圖3）。由於鐵氧化物的氧同位素分餾與溫度相關性較弱，因而其變化趨勢應該反映的是相對應流體的δ18O值變化而非海洋溫度變化。無論該流體是否為海水，或是早期成巖孔隙水和近海岸的大氣降水，其趨勢應可代表整個水圈的δ18O演化。
圖3 鐵氧化物的δ18O值特徵。A.針鐵礦（橙色圓圈）和赤鐵礦（紅色圓圈）所代表年代的平均δ18O值（±1σ）；B、C.將鐵氧化物的δ18O記錄分別疊加在燧石和碳酸鹽的δ18O記錄上；D.鐵氧化物相對應流體的δ18O值，是在 (i) 恆溫（15±10℃）或 (ii) 溫度隨時間降低的假設條件下計算獲得（Galili et al., 2019）
在兩種假定前提下（地表平均溫度（15±10℃）不變,自太古代的85℃開始下降），作者進一步計算了與鐵氧化物相對應流體的δ18O值，發現流體δ18O值在兩種情況下均顯示出相似的趨勢，即前寒武紀增加和顯生宙不變（圖3），說明與鐵氧化物對應的母液氧同位素值的確發生了變化。另外，兩種條件下得到的δ18O值差別與樣品年齡呈正相關，但差距不會超過～2‰，進一步反映鐵氧化物-水的氧同位素分餾相對於溫度是不靈敏的。此外，作者還發現與赤鐵礦共生的碳酸鹽礦物同樣呈現出與赤鐵礦相似的氧同位素變化趨勢，表明該趨勢與赤鐵礦的不同沉澱機制無關。這點結論非常重要，因為關於前寒武紀的赤鐵礦的原始成因一直存在爭議，當前已形成兩種對立的觀點：（1）赤鐵礦是原始沉澱的鐵矽酸鹽顆粒在後期發生氧化所致 (Rasmussen et al., 2013)，該觀點強調矽酸鹽礦物為原始沉積產物而非赤鐵礦，直接挑戰了傳統思想；（2）認為三價鐵的氫氧化物應為原始沉積產物，赤鐵礦是其直接脫水的產物 (Konhauser et al., 2017)。最近，Robbins et al.(2019)在Nature Geoscience上發表文章，應用水文地質模型反駁了原始矽酸鹽沉澱的觀點，但他們並未對前人所看到的巖相學現象進行解釋，而是僅僅利用模型否定了赤鐵礦為矽鹽酸氧化所致，並強調原始矽酸鹽礦物的形成與經典的稀土元素以及鐵同位素特徵不相符。
最後作者分析了導致海水δ18O升高的原因，可能是由於陸相沉積物蓋層的增加、高低溫地殼蝕變比例的變化，或者是這些和其他因素綜合的結果。針對全球氧同位素變化趨勢，不難發現，整個前寒武紀的海水氧同位素值均較低，如果該趨勢確實與溫度無關，那麼我們有理由相信，地球在過去整個35億年期間氣候應該是溫和且穩定的。
參考文獻
1.Galili N, Shemesh A, Yam R, et al. The geologic history of seawater oxygen isotopes from marine iron oxides [J]. Science, 2019, 365: 469-473.
2.Konhauser K O, Planavsky N J, Hardisty D S, et al. Iron formations: A global record of Neoarchaean to Palaeoproterozoic environmental history[J]. Earth-Science Reviews, 2017, 172: 140-177.
3.Rasmussen B, Muhling J R, Fischer W W. Evidence from laminated chert in banded iron formations for deposition by gravitational settling of iron-silicate muds[J]. Geology, 2019, 47(2): 167-170.
4.Robbins L J, Funk S P, Flynn S L, et al. Hydrogeological constraints on the formation of Palaeoproterozoic banded iron formations[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 558-563.
5.Zheng X Y, Beard B L, Reddy T R, et al. Abiologic silicon isotope fractionation between aqueous Si and Fe (III)–Si gel in simulated Archean seawater: Implications for Si isotope records in Precambrian sedimentary rocks[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2016, 187: 102-122.
（撰稿：儲雪蕾、王長樂/礦產室）
美編：徐海潮
校對：李玉鈐