年国际地球化学十大新闻（上）
06
在冰河世纪末期，火灾比恐龙的破坏力更大
新的研究表明，大约1.28万年前，10%的地球陆地面积（约万km2）被大火烧毁。
大约在年前的一个寻常日子，地球又遭遇了一个冰期，万物正在回暖，冰川已经消退。不知何处，天空被火球照亮。大火横扫大地，灰尘遮盖了天空，阻断了光线。随之气候迅速冷却，植物死亡，食物来源被扼杀，冰川再次发育。洋流发生了变化，使气候变得更冷，又将是一个持续千年的“冰河期”。最后，气候又开始变暖，人们再次来到一个大型动物较少和北美人类文明的世界，而一种完全不同的狩猎方式使尖矛被遗弃了。这是一篇研究大量地球化学和同位素标记的论文，发表在《JournalofGeology》上。鉴于研究成果是如此宏量繁复，以致需将“年前，年轻的德莱亚斯宇宙撞击引发的异常的生物量燃烧事件和冰期的引发”的结果分为两篇论文发表（I：冰芯和冰川；II：湖泊、海洋和陆地沉积物）。这项工作在全世界多个不同地点进行测量。堪萨斯大学（KU）的研究人员认为，这些数据表明当地球与一颗直径约62英里的正在解体的彗星碎片相撞时，灾难就开始了，这些彗星的残骸一直存在于我们的太阳系中，直到今天。
梅洛特说：“假设一颗体积较大的彗星碎片撞击地球，造成了这场灾难。许多不同的化学物质，如CO2、硝酸盐、氨和其他物质似乎都表明，10%的地球陆地表面或者说大约万km2都被火灾所毁灭。”梅洛特根据花粉分析认为松林可能被烧毁，取而代之的是杨树。
事实上，作者认为，宇宙的碰撞可能引发了新仙女事件（YoungerDryascoolepisode）、生物质燃烧、晚更新世物种的灭绝以及“人类文化的转变和人口的减少”。梅洛特说；“计算表明，这种撞击会耗尽臭氧层，增加皮肤癌的患病率以及其他对健康不利的影响。碰撞假说仍然是一个假说，但这项研究提供了大量的证据，而这些只能由宇宙的一个大撞击来解释。”
07
远古盐的发现动摇了大气获得氧的既有理论
地球早期的大气层是如何变得富氧的？最近，在俄罗斯一盆地钻探得到的古海盐提供了一个全新的线索，大气富氧使生命得以进化。埋藏在地表深处十亿年的盐为揭示很久以前海洋和大气化学成分提供了惊人的线索。
据3月22日发表在《Science》上的文章报道，由俄罗斯科学家带领的一个国际小组获得的古盐样品比其他同类样品要早10亿年。它的年龄说明它处于地球所经历的大氧化事件的中期，这一事件使氧成为大气中的主导成分。普林斯顿大学的地球化学家，该研究成果的主要作者ClaraBlttler说：“这是一个真正的独一无二的沉积物。”这些盐样品是由于水分蒸发后而留下来的矿物质。她说：“因为这些蒸发留下来的矿物是我们采取古海洋海水样品最直接的方式，当我们没有任何其他直接制约条件时，这个沉积物可以让我们直接了解古海水的情况。”
在俄罗斯盆地挖掘出长3km的圆柱形岩芯中，Blttler和她的同事发现了一个m厚的富含硫酸盐的沉积物，其中包括岩盐（又名氯化钠，它是普通食盐的原料）。Blttler说，该沉积物规模巨大，各种微量地球化学标记都表明它是在海水中形成的，而不是在其他淡水源中形成的。
研究小组推测，在10亿年前，海水覆盖了奥涅加河盆地流域，该流域位于俄罗斯卡累利亚共和国的西部边界，紧靠芬兰。盐卤水冲到盆地的低洼处，然后被截留并蒸发，最终留下了海水携带的盐分。沉积层的厚度表明这一过程反复发生了多次，后来逐渐形成了俄罗斯研究人员挖掘的库源。苏格兰圣安德鲁斯大学（UniversityofSaintAndrews）的研究员马克·克莱尔（MarkClaire）（此项研究的合作者）说：“仅仅蒸发一批水，是没有办法形成如此厚的沉积物。”研究小组的分析显示，古代海水中硫酸盐的含量大约是现代海水中硫酸盐含量的20%。海水中的硫酸盐浓度是一个关键的示踪物，它记录了有多少氧来自于大气，以及如何进入其中的。
未参与这项研究的加利福尼亚大学河滨分校的地球化学家蒂莫西·莱昂斯（TimothyLyons）说，论文作者首次定量测定了20多亿年前海洋“模糊或近似”的化学成分。但他认为“新的研究成果是可靠的，因为研究的对象被封存于如此古老的岩石中，且研究结果与前人关于环境记录的碳和微量元素的结果是一致。”
其他硫酸盐蒸发样品很是罕见。硫酸盐溶于水的特性也会使得它们很难被发现。当水冲刷沉积物时，它可以重新溶解蒸发岩，清除之前留下的记录，并留下新的记录。这意味着类似的沉积物很少，彼此之间相距甚远。Blttler说：“她的样本显然没有与太多的水接触，否则它们就消失了。由于一些未知的地质原因，这些沉积物被保存了下来，这稍许有点意外。”
30亿年前地球大气缺少大量的分子氧（O2），O2是使大气可供如今复杂生命体呼吸的气体。直到“大氧化事件”发生，27亿年前到24亿年前，一次神秘的转变，这种对生命至关重要的气体才开始在大气中大量积聚。
在生命进化过程中，氧浓度的上升也改变了地球的岩石，从而从根本上改变了地球的地球化学。由于大气中的氧与岩石中的黄铁矿发生化学反应，它与黄铁矿的硫结合，产生硫酸盐和其他副产物，这些副产物逐渐从岩石中冲刷出并流入海洋。这就是为什么保存完好的盐层中的硫酸盐量可以用来确定古空气中的氧含量。
之前在碳同位素的研究中提出与大气氧相关的证据并非那么直接，里昂研究小组对微量金属和沉积物研究也是如此。然而，新的发现提出大气中支撑生命气体的形成与之有着相当紧密的联系。里昂说：“碳同位素证实释放了大量的氧气。但从本质上讲，这种硫酸盐就是那个过程中的‘烟枪’。”
科学家还不确定初期这些氧气是如何进入大气的。一些人认为这可能是一个渐进的过程，可能是火山喷发的气体混合物的变化，或是大气层中轻氢原子逐渐消失到外层空间。另一些人更倾向于一种更为突然的机理，例如行星规模的火山爆发或小行星撞击引起的地质剧变。生命本身可能通过新进化的光合作用机制释放氧气，形成了一个快速的高峰。
08
火星跟地球像么？
年8月，火星科学实验室的探月车“好奇心号”降落在盖尔陨石坑的底部，这座5km高的山是数十亿年前一颗流星撞击火星时形成的。好奇心号用它那2m长的臂钻钻入火星地面，挖出并分析了岩石和土壤样本，包括一些浅色的、晶体镶嵌的岩石，令人惊讶的是这些样品与构成地球大陆地壳大部分的古花岗岩极其相似。
这一发现在科学界引起了轰动，因为它表明火星可能是除了地球之外唯一已知的可能有大陆地壳的行星。传统观念认为火星表明覆盖着更密集、更黑暗的火成岩，类似于地球的海洋地壳，这些海洋地壳由地球地幔的火山岩浆冷却形成。
然而，Udry等人的研究与这一传统认知相矛盾。他们认为，这些岩浆不是由构造板块之间穿透出，而是通过类似于地球上的过程形成的，诸如在夏威夷、冰岛和加那利群岛等地发现的板内火山活动或“热点”火山作用。在热点火山作用中，岩浆不需要通过板块间的边界或裂缝就可上升到地表。相反，它会向上推进，并突破更脆弱、更薄的地壳区域。
为证明这一点，研究人员使用了一种计算工具——melts，它可以模拟岩浆形成不同火成岩所需的条件。他们用6种不同类型的岩浆进行模拟，6种岩浆分别来自：1块称为“BlackBeauty”的陨石——在年摩洛哥沙漠发现的一块光滑的火星岩石，以及被称为“Fastball”“Backstay”“Esperanza”“HomePlateJuneEmerson”和“Champagne”的5块由Spirit号自动探测器分析的岩石。
他们模拟了岩浆在冷却过程中是如何结晶的，从岩石为液态时的最低温度开始，并以10℃的间隔递减，直到降低到℃（如果岩石已经凝固，则温度更高）。研究小组发现，与热点火山作用的条件相似，岩浆将转化为岩石，这些岩石的化学和矿物成分与盖尔火山口的相似：含有大量SiO2的浅灰色轻矿物，类似于形成地球大陆地壳的花岗岩。研究表明，并不需要大陆板块就可以形成类似地球表层一样的岩石，而只需由板内岩浆作用产生的普通火星火山活动即可。
09
汞水平的上升——一个指示火山作用是引发晚泥盆纪灭绝的新证据
A:弗拉斯尼安-法门尼亚（F-F）全球事件和两步凯尔沃斯危机（GerekeandSchindler，）以及冬季之后相关火山事件；B：与同时期大型火成岩省相比，F-F遗址的汞丰度（Lips；Kravchinsky，；Ernst，；Golonkaetal.，）
据年4月26日发表在《Geology》上的一篇文章报道，地质学家发现了一个可能的罪魁祸首：大规模的火山活动，如一个广泛的汞脉动。这项研究是由波兰索斯诺威克西里西亚大学的地质学家格里泽戈兹·拉基（GrzegorzRacki）主导的。Racki解释说：“到目前为止，关于大规模灭绝的主要争论一直是什么是主要的直接原因。我们为火山作用提供了第一个明确的证据。”
研究小组分析了来自摩洛哥、德国和俄罗斯北部的岩石样品，这些岩石都来自同一个3.72亿年前的短地质间隔年代，这一时代就在F-F事件之前。这些岩石分布在两个大洲，其组成从黑色页岩、灰色页岩到石灰岩，厚度从几厘米到几米不等。然而，它们都有一个特别显著的特点：即存在一个比背景值高数百倍的汞浓度峰值。在其他大规模的物种灭绝中，汞浓度的升高与火山爆发密集期密切相关。事实上，Racki指出，汞已经成为地球成因灾变事件的标志物，就如同铱是地外成因灾变事件的标志物一样。汞作为火山作用的地球化学指纹，在大灭绝研究的新阶段似乎起着决定性的作用。英国利兹大学的合著者保罗·维格纳尔（PaulWignall）补充道；“所有的‘五大’（地球历史上五次生物物种大灭绝）都与主要的火山事件一致。在我们发现之前，晚泥盆世灭绝是一个例外。”
到目前为止，还没有发现真正的烟枪——一个较大的地质时代切合的火山岩区域。Racki认为，尽管有迹象显示火山岩要么被侵蚀掉，要么被深埋，但最合适的候选区域还是可能在俄罗斯。
【以上成果来源于：GrzegorzRacki,MichaRakociński,LeszekMarynowski,PaulB.Wignall.MercuryenrichmentsandtheFrasnian-Famennianbioticcrisis:Avolcanictriggerproved?Geology,;DOI:10./G.1]
10
古盐能告诉我们地球上生命的什么呢？
地球的前半生，即人类出现的20多亿年以前，几乎没有氧，对于我们来说，大气的情况就跟在火星上试图呼吸一般。就像火星上消失的大气层一样，与之相反，地球的大气层在其演化进程中发生了变化。地球的大气层并没有随着时间的推移而消失在太空中，而是获得了氧气——从整个地球的生存历史来看，这是一个非常突然的过程。科学家们已经把这种氧浓度突然上升，称为“大氧化事件（GOE）”，并将GOE的时间范围缩小到23~24亿年前。但要确定实际的速率，最困难的是气体不会停留在适当的位置或时间等待测量。地质学家研究他们所能做的：古岩石可能提供他们形成时期空气的线索。一个神秘事件将地球转变成我们今天所知的充满生命的行星，但找到神秘事件的古证据却很棘手，有时科学家们会深入地下探索。
最近，在俄罗斯西部靠近芬兰边界的奥涅加湖边缘，一组科学家们在那里向地球深处钻了1.2英里，发现了保存有20亿年之久的盐。这一发现令人很震惊，众所周知，当你在一锅沸腾的水上撒盐，矿物质就会溶解在水里。这些盐形成于古海洋蒸发，在埋葬后发生的任何地质过程都没有改变它，始终保持原状。从钻孔中取出来的长m、宽6cm的岩芯还有一个意外惊喜：硫酸盐或含有硫的矿物质——这种矿物质呈黄色，有臭鸡蛋味——只有在强氧化环境中才会形成。来自美国、挪威、苏格兰、爱沙尼亚、英国和俄罗斯的各个大学和调查机构的科学家们分析了这种矿物和盐的化学成分，并通过计算机模型来模拟，他们识别出古海洋变化的细节，包括它是如何被氧化的。这一成果于3月22日在《Science》上发表。
在普林斯顿大学的一份新闻稿中，挪威地质调查局和塔林理工大学的AivoLepland，该项研究的资深作者，将他们的发现描述为“有史以来最有力的证据”，即古海水的硫酸盐浓度高达目前据估计的海洋硫酸盐的30%以上。硫酸盐的存在意味着一定有大量的氧气——但是这些氧气是从哪里来的呢？
从地质学角度讲，在短短的3亿年里肯定发生了巨大的变化。普林斯顿大学博士后、该研究的第一作者克拉拉·布莱特在声明中这样描述：“与其说这种巨变是涓涓细流，倒不如说是翻江倒海”。
先前的科学家已经注意到与大氧化事件相关的生物学关联：与维持生命有关的气体变化，出现在古海洋生物的保存层中，被称为蓝藻或微生物垫，是地球光合作用的第一个证据，与我们的呼吸作用相反，它们开始从空气中吸收二氧化碳，并同时排出氧气。但认为微生物是唯一的氧气来源的这一想法仍有问题，比如，在早在GOE时间之前的几亿年，光合作用的转变就已经发生了。这是否足以解释比尔·泰勒和她的同事们的发现吗？
随着时间的推移，生物在演化，地球也一样。从构造板块的起源到其运动，随之，它们又都会改变大气中的氧气量。
构造板块是我们星球独有的，至少在我们的太阳系中是如此，从而形成了我们今天生活的大陆。地球上层的大陆板块就像拼图块一样——尽管它们并不完全匹配——板块会互相碰撞，有些板块滑动到另一个板块下面，接触面会产生高温将板块熔化，这一过程称之为俯冲过程。熔化的岩石开始上升，像熔岩灯一样，在表面引起火山爆发。这些火山会向大气中喷出气体。例如，在去年的一篇在NatureGeoscience发表的论文，莱斯大学的科学家写道，这种熔化可将早已死亡的微生物躯体的碳和氧分离，并作为俯冲板块上的沉积物沉积在海底。这种分离可将碳送到地球更深的地方，封存数百万年甚至数十亿年，并将氧从火山中排出。这可能是GOE的来源吗？
在最近的另一项研究中，澳大利亚和美国的科学家通过分析火山作用所提供以及光合作用所需的另一种元素磷（P）的浓度，发现了构造学和生物学之间的另一种联系。作者推断，这将生物学与地质演化联系起来，P元素支持这样一种观点，即板块构造可能在大氧化事件期间诱导了光合作用。
或许这个星球和它培育的生命一起工作，使它能够适应复杂的生物体，包括我们在内。微生物首先释放出氧气，但地质变化可能促使氧气的激增——这在硫酸盐的形成中得以证实——进而促进了光合生命体的生长。据我们所知，板块构造和生物是地球所独有的。许多人推测两者之间存在共生关系，地质学和生命体协同运转。这一来自俄罗斯令人意外兴奋的盐，比其他任何盐都要早10亿年，为地质学家了解地球的宜居性又推前了一步。这也为我们了解人类自身历史和人类产生的一系列因果关系又迈进了一步。
你的下一个呼吸很有可能就含有约在20亿年前首次漂浮到空气中，且漂浮在富含硫酸盐的海面上的氧气。
编译：刘莹
转载自“中国矿物岩石地球化学学会”