SA等：遠古時期的大氣
地球遠古時期遙遠而神秘，好奇驅動著人類的探索。現今，地球大氣擁有適宜的氣壓及N2、O2、CO2、CH4等氣體組成；我們生活其中，習以為常。然而，這種生物宜居的大氣環境，來之不易，幾多起伏（例如O2，圖1；Lyons et al., 2014）。同樣，認識遠古時期地球大氣，絕非易事，幾多波折（例如O2，圖2；Cole et al., 2020）。重建地質歷史時期大氣組成及其演化，是地球科學領域的重大挑戰。
幸運的是，地球大氣基於微觀的物理、化學和生物作用，通過海水—氣體交換及海洋循環、生物演化及其地球化學循環、巖石圈表層風化與反風化、板塊運動與巖漿去氣等多種地質過程，與宏觀的水圈-生物圈-巖石圈產生直接或間接的作用與反作用（如圖3，圖4），並存留影蹤。因此，地質學家藉助關鍵地質樣品及相關技術方法與理論，不斷探尋巖石裡的蛛絲馬跡，解譯遠古時期的大氣。目前，沉積巖或特徵礦物的元素及同位素地球化學指標（如圖5；周錫強等，2017），鐵礦、錳礦等沉積型礦床，晶質鈾礦、黃鐵礦、菱鐵礦等風化再沉積的碎屑礦物，古土壤、冰磧巖、冰芯或礦物流體包裹體、植物葉片或玄武巖氣孔、雨滴痕跡、木炭化石、鈣化藍細菌化石等重要地質記錄，固氮生物、產甲烷生物、不產氧光合作用生物、產氧光合作用生物、真核生物、動物、陸地植物等生物演化重大革新，GEOCARBSULF、COPSE、LOSCAR等地球化學模型，非質量相關硫同位素分餾等大氣光化學反應模型，從不同角度和精度，對遠古時期大氣進行定性或定量約束，使其輪廓日漸清晰（圖2，圖6，圖7）。
事實上，早在1984年，美國Harvard University的Heinrich D. Holland教授發表了關於大氣和海洋化學演化的裡程碑式專著 (Holland, 1984)。其後，古大氣研究進展緩慢，部分甚至走入了死胡同；直至21世紀隨著技術方法與理論的進步，相關研究煥發出新活力。2008年美國Pennsylvania State University的Lee R. Kump教授 (Kump, 2008)、2014年University of California, Riverside的Timothy W. Lyons教授及其合作者 (Lyons et al., 2014)，分別在Nature期刊發表綜述性文章，系統回顧了地質歷史時期大氣氧氣含量演化的研究進展，受到廣泛關注和引用。最近，Nature Geoscience期刊發表評論文章，對該期刊近十年來以「古氣候」為主題的論文進行了文獻統計分析，揭示了相關研究的地質時代分布特徵及發展趨勢（圖8），具有重要參考價值。此外，澳大利亞University of Tasmania的Ross R Large教授在Encyclopedia of Geology專著發表章節論述 (Large, 2019)，以及美國University of Washington的David C. Catling教授及其合作者在Science Advance期刊發表綜述文章 (Catling and Zahnle, 2020)，再次綜合回顧了遠古時期大氣的相關研究進展，展現了其大致演化歷程（圖6，圖7）。
冥古宙時期（約45–40億年前），地質記錄極為稀少，我們知之甚少。隨著海洋、陸地、或生命的起源，該時期大氣可能富含N2、CO2、CH4、及一定量的H2、He等氣體，但幾乎無O2。
太古宙時期（約40–25億年前），隨著大陸地殼顯著增生、大氣氫氣逃逸、產甲烷及產氧光合作用生物演化等重大地質事件，地球大氣N2含量類似或顯著低於現今水平，CO2和CH4含量相對較高，O2十分貧乏；至太古宙晚期，產氧光合作用生物不同程度釋放O2，使「缺氧荒漠」裡出現一定的「氧氣綠洲」或者吹入「氧氣微風」。該時期目前僅有少量冰川沉積記錄報導（圖7B），地球總體可能處於較溫和氣候狀態，地表平均溫度推算介於約0°C–40°C。該時期大氣H2含量如何，高空是否存在富有機顆粒物的霧霾，當時太陽年輕而黯淡（Faint Young Sun problem）所帶來的氣候難題如何緩解等，一系列問題備受關注。
元古宙時期（約25–5.4億年前），隨著早期板塊構造運動及超大陸旋迴、產氧光合藍細菌、真核生物及動物演化等重大地質事件，地球大氣CO2、CH4、H2等含量進一步降低，O2逐步積累並實現源相對於匯的總體超越，使大氣和表層海洋持續處於一定的氧化狀態。令人矚目的是，該時段地球大氣—海洋氧氣含量出現了多次顯著波動，以古元古代大氧化事件（Great Oxygenation Event，約24–21億年期間）、新元古代大氧化事件（Neoproterozoic Oxygenation Event，約8.0–5.4億年期間）、及中元古代間歇式增氧事件（如約15.6億年、14億年、11億年等時期）為代表。元古宙中期缺少冰磧巖沉積記錄（圖7B），被認為總體處於較溫和氣候狀態；然而元古宙早期和晚期全球多次廣泛發育大規模冰川沉積，被認為響應了極端寒冷氣候狀態。在此背景下，重點圍繞「氧化事件」（Oxygenation Event）、「雪球地球」（Snowball Earth）、中–新元古代「無聊的十億年」（Boring Billion）等關鍵時段，前寒武紀大氣研究近年日益升溫，相關成果呈現快速增長趨勢（圖8）。
顯生宙時期（約5.4億年前至現今），隨著板塊運動及超大陸演化、生物群落興衰更替，地球大氣CO2、CH4等含量進一步降低，O2含量顯著增加，總體接近現今大氣狀態，但在一定範圍內動態波動。值得注意的是，顯生宙海洋和陸地生物圈演化，可顯著改變生物地球化學循環和圈層相互作用模式，進而對大氣及氣候變化產生不同程度的反饋，有助於緩解極端氣候狀態的發生，使其總體維持相對溫和氣候狀態。其中，寒武紀生命大爆發、奧陶紀生物大輻射、植物登陸、森林繁盛、硅藻演化、生物大絕滅等重大生物演化事件，對顯生宙大氣產生了顯著的反饋，是古氣候研究熱點時段。需要指出的是，得益於可利用的地質材料的顯著增加，顯生宙大氣研究程度較高，大氣演化樣式重建更加精細和多樣。其中，新生代研究材料和方法最為豐富，溫室及冰室氣候變化顯著，與人類宜居環境演化關係密切，長期以來備受關注（圖8）。
總之，藉助技術方法與理論的不斷進步，以及地質樣品的逐漸擴展，我們持續描繪著遠古時期地球大氣的面貌。過去20年裡，我們在微觀的礦物巖石-流體-生物之間的相互作用與機理，以及宏觀的超大陸旋迴、造山過程、海洋化學、生物演化、大氣組成特徵及相互作用等方面取得了巨大的進步，促進了地球系統科學的快速發展（圖3、4）。近年，關於地球大氣與氣候演變的研究保持著較高的熱度（圖8），但是許多基本問題仍有待回答。
未來，人類除了不忘初心之好奇，還將持續應對全球氣候變化的現實挑戰，胸懷探尋宜居星球的遠大願景。如何克服重重困難，精確、精準、精細重建地球漫長遠古時期的大氣及宜居環境演變歷程，並解譯其前因後果，毫無疑問將是地球科學研究的持久徵程。
圖1 地質歷史時期地球大氣氧氣含量演化樣式 (Lyons et al., 2014)
圖2 地球近35億年以來大氣氧氣含量演化曲線的重建歷程和不同樣式 (Cole et al., 2020)
圖3 地球地質歷史時期大氣CO2和O2的源匯及循環簡圖 (Dahl and Arens, 2020)
圖4 地質歷史時期地球表層C-O-S的源匯特徵及循環示意圖。（A）大氣O2、超大陸旋迴、海洋化學之間的聯繫 (Large, 2019)，（B）COPSE模型（Lenton et al., 2018）和（C）GEOCARBSULF模型（Zhang et al., 2018）的C-O-S地球化學循環模式，相關符號說明參見原文
圖5 同位素地球化學指標在古氣候、古環境和古海洋等方面的部分應用情況。其中沉積水體化學特徵及地球化學循環過程與氣候存在直接或間接聯繫，一定條件下可用於約束古大氣(周錫強等，2017)
圖6 地球大氣演化歷程及相關重大地質事件 (Large, 2019)。注意，其中部分細節存在一定的不同觀點
圖7 地球近40億年以來大氣演化概況。（A）大氣N2、O2、CO2、CH4含量演化歷程，其中產甲烷生物、產氧光合作用生物、陸地植物擴張等生物演化事件對大氣具有重要影響；（B）冰川沉積記錄的時代分布特徵（藍色豎條），其中太古宙發育少量冰川沉積記錄（紅色箭頭），可對全球平均氣溫進行一定的約束（< 25°C）(Catling and Zahnle, 2020)
圖8 學術期刊Nature Geoscience在2008–2019年期間，古氣候相關論文所研究的地質時代分布特徵。該期刊年均發表相關論文數量約為40–50篇，所研究的地質時代分布廣泛，以新生代為主（其中全新世和更新世佔主體），中生代和古生代次之，前寒武紀佔比逐漸攀升（引自Nature Geoscience評論文章）
【致謝：感謝中國地質大學（北京）的湯冬傑副教授對本文提出的寶貴修改建議。】
主要參考文獻
Catling D C, Zahnle K J. The Archeanatmosphere[J]. Science Advances, 2020, 6(9): eaax1420.
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（撰稿：周錫強/油氣室）
校對：李玉鈐