8月27日23時(shí)，成都理工大學(xué)李超教授團(tuán)隊(duì)在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊

Nature

“Two-billion-year transitional oxygenation of the Earth’s surface”

DOI：10.1038/s41586-025-09471-4

參與此研究的還有成都理工大學(xué)程猛研究員、侯明才教授和張子虎博士，南京大學(xué)鮑惠銘教授、曹曉斌教授，中國科學(xué)院南京地質(zhì)與古生物研究所張俊鵬副研究員和郄文昆研究員，加州大學(xué)河濱分校Timothy W. Lyons教授，西澳大學(xué)Matthew S. Dodd博士，墨爾本大學(xué)帕克維爾分校Malcolm Wallace教授和Ashleigh v.S. Hood博士。李超教授領(lǐng)導(dǎo)了此項(xiàng)研究。

▲李超（右）與王海洋（左）合影

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用了可廣泛獲取的碳酸鹽結(jié)合態(tài)硫酸鹽中的叁氧同位素（Δ′17O）來示蹤地球大氣氧含量的演化過程，借助該指標(biāo)可連續(xù)記錄大氣氧特有的非質(zhì)量依賴型氧同位素負(fù)異常信號的這一特點(diǎn)，首次以直接高分辨記錄表明4.1億年前地球大氣氧含量已達(dá)到現(xiàn)代水平，證實(shí)了地球大氣由無氧向富氧轉(zhuǎn)變的階段性演化，揭示了其歷時(shí)約20億年，并精細(xì)刻畫了這一過程中大氣與海洋氧化狀態(tài)的復(fù)雜耦合特征，為深刻理解地球生命起源與演化以及沉積礦產(chǎn)和油氣形成提供了關(guān)鍵的環(huán)境背景。

據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，地球大氣氧含量從無到有并達(dá)到目前的富氧狀態(tài)是驅(qū)動(dòng)復(fù)雜生命起源演化、改善地球宜居性以及形成重要沉積礦產(chǎn)和油氣資源的核心過程。科學(xué)界已經(jīng)認(rèn)識到，地球大氣氧含量的演化呈現(xiàn)多階段上升的模式。

不過，其關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)、具體演化路徑，以及其對海洋氧化還原狀態(tài)和生物演化的影響，仍舊很不清晰。傳統(tǒng)研究多借助反映海洋氧化還原狀態(tài)或大陸風(fēng)化特征的指標(biāo)，來間接推測大氣氧含量的變化。

與之不同的是，李超團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用可廣泛獲取的碳酸鹽結(jié)合態(tài)硫酸鹽中的叁氧同位素(Δ′17O)，來直接重建地球大氣氧含量的演化。叁氧同位素能夠記錄大氣氧獨(dú)有的非質(zhì)量依賴的氧同位素負(fù)異常信號，進(jìn)而可以更直接地追蹤古大氣氧含量的變化，而碳酸鹽結(jié)合態(tài)硫酸鹽的叁氧同位素則不僅克服了長期以來傳統(tǒng)方法易受多種因素影響，難以準(zhǔn)確反映古大氣氧含量的變化的問題，而且解決了前人使用蒸發(fā)硫酸鹽難以建立地史連續(xù)的叁氧同位素記錄的問題。

通過系統(tǒng)采集分析近10億年的碳酸鹽結(jié)合態(tài)硫酸鹽及可獲取的蒸發(fā)硫酸鹽叁氧同位素組成，并整合已有的文獻(xiàn)報(bào)道，李超教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了過去30億年的沉積硫酸鹽叁氧同位素演化記錄。

結(jié)果顯示硫酸鹽Δ′17O值在數(shù)億年長時(shí)間尺度上呈現(xiàn)明顯的三階段性變化，分別對應(yīng)古元古代、新元古代與古生代三次關(guān)鍵的氧含量升高，最終在4.1億年前后趨于穩(wěn)定，標(biāo)志著現(xiàn)代富氧大氣環(huán)境的正式形成。

更為重要的是，新元古代大氣氧含量躍遷后，以缺氧為主的海洋系統(tǒng)出現(xiàn)了脈沖式的氧化增強(qiáng)，表現(xiàn)為該時(shí)期反復(fù)出現(xiàn)的沉積碳酸鹽碳同位素組成（δ13C）的顯著負(fù)偏，并伴隨沉積硫酸鹽Δ′17O和硫同位素組成（δ34S）的一致下降。結(jié)合NEOCARBSULF系統(tǒng)生物地球化學(xué)模型與O?–CO?箱式模型的定量分析，研究認(rèn)為這些耦合的C-S-O同位素?cái)_動(dòng)反映了階段性升高的大氣氧對缺氧海洋的脈沖式氧化。

這一過程促進(jìn)了海洋中溶解有機(jī)碳和還原性硫的氧化，產(chǎn)生了大量具有虧損34S/17O/13C特征的硫酸鹽和無機(jī)碳，從而導(dǎo)致上述三個(gè)同位素在百萬年尺度上的協(xié)同變化。同時(shí)，這一過程作為負(fù)反饋機(jī)制在百萬年短時(shí)間尺度內(nèi)快速消耗了大氣氧，從而抑制并逆轉(zhuǎn)了大氣氧含量的持續(xù)上升。

這些發(fā)現(xiàn)表明，大氣與海洋氧化狀態(tài)在數(shù)億年尺度上表現(xiàn)為正相關(guān)協(xié)同演化關(guān)系，而在百萬年尺度上則可能呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)協(xié)同演化關(guān)系。也就是，百萬年尺度的負(fù)反饋調(diào)控疊加于數(shù)億年尺度的大氣-海洋氧化總體增強(qiáng)趨勢之上，揭示了地球表生系統(tǒng)氧化過程的高度非線性和多尺度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。

綜上，李超教授團(tuán)隊(duì)首次用直接高分辨記錄明確了地球大氣氧含量在4.1億年前達(dá)到現(xiàn)代水平，證實(shí)了地球表層經(jīng)歷三階段氧化歷史。

階段一：24億年之前為近乎無氧狀態(tài)。

階段二：24至4.1億年期間為相對低氧、動(dòng)態(tài)波動(dòng)并階段性升高。

階段三：4.1億年后進(jìn)入穩(wěn)定的富氧狀態(tài)，構(gòu)建了地球表層長達(dá)20億年的漸進(jìn)式動(dòng)態(tài)氧化框架。研究進(jìn)一步揭示了大氣和海洋在這漫長、漸進(jìn)式動(dòng)態(tài)氧化過程中的協(xié)同演化機(jī)制，為理解新元古代至早古生代異常碳同位素記錄和復(fù)雜真核生命漫長而階段性快速演化提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

更為重要的是，本研究表明整個(gè)新元古代-古生代早期古海洋中可能存在一個(gè)超大型溶解有機(jī)碳庫，其可能作為一個(gè)新的有機(jī)碳源為古老油氣資源的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)，為深層超深層油氣勘探提供了新思路。

40億年來沉積硫酸鹽的Δ33S 和Δ′17O記錄首次直接刻畫了地球大氣長達(dá)20億年的三階段氧化（圖b），其揭示了地球大氣（圖a-b）和海洋氧化（圖c）在數(shù)億年時(shí)間尺度上的正相關(guān)關(guān)系和在百萬年時(shí)間尺度上的負(fù)相關(guān)關(guān)系及其生命效應(yīng)（圖源 Wang et al. (2025)

Nature

據(jù)悉，李超教授團(tuán)隊(duì)于2023年在

Nature

“Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle”

▲李超團(tuán)隊(duì)

來源|成都理工大學(xué)新聞網(wǎng)