2017年國際地球科學十大新聞

    科學家們很想知道地球大氣層中是如何充滿氧的。英屬哥倫比亞大學地質學家馬泰斯·斯密特和他的研究伙伴克勞斯·梅茲格在年齡為十億年的大陸巖石中找到了答案。

    雖然小的藍藻細菌在光合作用時會以副產物形式產生氧，但地球早期大氣和海洋是缺氧的。自由氧是指沒有與C和N結合的氧原子，需氧生物以此為生。30億年前，開始發生變化，海洋中出現了小范圍的有氧區。24億年前，僅僅2億年，大氣中的氧就增長了10000倍，這被稱為大氧化事件。

    斯密特和梅茲格發現了在那一時期的大陸組成也有所變化，他們采集了年齡跨度約為幾十億年地球頁巖和火成巖樣品48000塊，研究了其中的殘留信息，認為大陸組成的變化與海洋開始聚集自由氧是在同一時期發生的。

    在氧化作用之前，大陸組成中富Mg貧Si——與今天冰島和法羅群島的大陸組成相似。但更重要的是，這些巖石中含有礦物橄欖石。當橄欖石與水接觸時，發生化學反應，消耗氧并將其鎖定其中。

    然而地殼逐漸演變成現今的組分，橄欖石消失。如果沒有礦物與水反應消耗氧，氧氣就會累積，海洋最終會飽和，氧會溢散到大氣中。這一發現也有助于解釋地球上生命的出現。

    超級火山是地球上致命的火山，能夠產生巨大的噴發，摧毀大面積的區域，并能導致全球氣候變冷。印度尼西亞的超級火山Toba在73000年前爆發過一次，2800m3的火山灰噴發到大氣中，沉降下來淹沒了印度尼西亞和印度的大部分地方。

    科學家們長期思考著這樣一個問題：這些巨量的巖漿到底是如何形成的，是什么力量使這些巖漿爆發出來？烏普薩拉大學的研究團隊與國際同行從火山灰和毫米級巖石中發現了蛛絲馬跡。

    巖漿中的石英晶體記錄了在噴發前巖漿系統的化學和熱力學的變化，就好似樹輪能夠記錄氣候變化一樣。當巖漿條件變化，晶體就會有響應并產生明顯的生長區以記錄其變化。

    研究者分析了Toba火山的石英晶體，發現在晶體的邊緣同位素組成有變化：氧同位素比值相對較低，這暗示在大爆發之前巖漿系統發生了巨大的改變。化學成分變化表明巖漿融化并吸收了該區域大量的巖石，這些巖石本身氧同位素比值就低。此外巖石中還含有大量的水分，也被混入到巖漿中，形成蒸汽，由此也增加巖漿內部的壓力。這些迅速增加的氣壓最終導致巖漿沖出地殼，噴發出大量的巖漿到大氣中。

    已有研究一直在爭論一個問題：地殼35億年前看上去像夏威夷火山巖漿，但是美國芝加哥大學學者通過追蹤地殼中金屬元素Ti，重新繪制了早期地球的藍圖。早在35億年前，就發生過重大的構造運動，比現在認為的時間早了5億年（該項成果發表在《科學》雜志上）。

    地殼曾一度是由黑色的、富含鎂鐵的鎂鐵礦物組成。但如今大洋地殼和大陸地殼很不一樣，大陸地殼顏色淺且富含長英質礦物（富含Si和Al）。兩者是如何轉換而分開的至關重要，礦物的組成影響著地球上生物的營養流。

    為了重建地殼組成轉換的時間，地質學家們通常會研究頁巖。但有一個問題就是必須調整數量來解釋不同的風化和遷移速率。為了避免這一問題，Nicolas Dauphas（路易斯布洛克教授，地球物理科學系和恩里科費米研究所的實驗室主任）和他的團隊研究了頁巖中的Ti。該元素不溶于水，也不會發生營養元素的生物循環，因此他們認為此數據誤差小。他們將地球上不同年齡的頁巖粉碎，分析記錄Ti的存在形式，發現Ti同位素比值會隨著巖石從鐵鎂質向長英質的轉化而變化。但在此前的35億年，這一比值變化很小，因此他們認為劇變發生在此關鍵節點之前。

    最新數據證實，地球有一個天然的恒溫器，使得星球能夠從極端氣候變化中恢復，但是恢復的時間尺度意義重大。

    天然恒溫器這一理念早在1981年就被提出，但是至今沒有人能夠提供確認冷熱溫度波動特定機制的數據。最近，英國研究團隊的研究表明，地球從全球變冷事件的恢復與巖石風化速率有關。巖石被雨水或者河流溶解，此過程從大氣中吸收CO2，被河流帶入海洋并被固定在石灰巖中。風化作用越顯著，大氣中CO2就失去得越多。該團隊之前就發現風化作用在高溫階段的地球冷卻中所起的作用。而最近的研究則證實在地球冷卻階段風化速度的減慢，從而進一步支持了“地球恒溫器”的觀念。

    研究者通過巖石中的Li元素來測量風化程度。他們檢測了赫南特冰川作用（約4.45億年前）的巖石，對應了歷史上第二次生物大滅絕時期，由于氣溫劇降以及海洋水平面下降，導致約85%的海洋生物滅絕。

    來自安蒂科斯蒂島(加拿大魁北克省圣勞倫斯河口的島嶼) Dob’s Lin(在蘇格蘭的莫法特附近)的樣品數據表明，由于冰期使得氣溫降低5 ℃，全球化學風化速率暫時性降低了四倍，大氣中CO2下降減緩，使得氣候逐漸恢復。

    加州大學洛杉磯分校主導的一項新的研究表明，月球的年齡比之前預測的更老。月球至少為45.1億年，它的形成很可能在太陽系出現的60 Ma之后，比之前認為的早了40～140 Ma。這一結論的得出是基于分析了1971年阿波羅14號帶回地球的鋯石樣品。

    關于月球年齡的問題，科學家們花了很多年，運用了各種科學技術，但仍是一個熱議話題。

    2016年加州大學洛杉磯分校研究團隊報道過：“月球是早期地球和被稱之為theia的‘行星胚胎’發生碰撞形成”。但最新研究表明月球早在太陽系誕生之后的6000萬年就形成——這一點至關重要，為科學家們研究地球和太陽系的演化提供關鍵的證據。

    月巖很難定年，因為大部分的月巖都包含了多種不同的巖石成分。但是Barboni鑒別并分析了8顆原始狀態的鋯石。尤其是，她分析出月球巖石中U元素如何衰變成Pb（普林斯頓大學實驗室），Lu元素如何衰變成Hf（加州大學洛杉磯分校實驗室質譜計分析）。利用這些研究結果最終可確定月球的年齡。

    地球與Theia的碰撞產生了一個液態的星球，它會逐漸固化。科學家們認為，月球表面被形成時期的巖漿覆蓋。U-Pb年齡揭示了最早的鋯石出現在月球初期巖漿洋的時間，這些巖漿冷卻后形成月幔和月殼；而Lu-Hf年齡則反映了更早時的巖漿形成時間。

    前人得出月球年齡是基于某些月球巖石，這些巖石混染了經歷過多次碰撞事件的信息，McKeegan認為那些巖石年代反映了其他事件的時間信息，而不是月球的形成事件（Science Advances）。

    土壤中蘊藏著大氣3倍量的C，然而人們對它能減少大氣中CO2水平，從而減輕全球變暖的機制鮮有了解。華盛頓州立大學的研究人員發現一個巨大的碳匯蘊藏在土壤礦物中，而并非地表下的一英尺之內。

    Marc Kramer，華盛頓州立大學環境化學系的一位助理教授，聯合斯坦福大學、俄勒岡州立大學等同事認為全球土壤碳池的一半是在地表一英尺之下。他還發現在該深度的土壤有機質與礦物有關。他們是首次明確地考查了深部土壤礦物對氮和碳的控制程度。

    我們如果能夠更多的了解這一過程，就能更好開展農業和采取其他的措施，使得C保留在土壤中，并能從大氣中吸收C。Kramer報道，3/4的C是保存在地表3英尺的土壤中，這一部分土壤很易受到農業、畜牧業和林業管理的影響。

    Kramer早期的研究發現，一些農耕方式能夠迅速增加土壤中的C水平，關于土壤如何保存C是一個新的技術領域，就是如何使C保留在土壤深部作為養分。（Biogeochemistry，和Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics ）

    起初，地球是一個荒無人煙的星球，沒有氧氣，僅有一些單細胞的細菌。一項新的研究結果指出，空氣中氧的濃度在24億年前開始上升，與此同時全球的冰川作用發育，所有的大陸都匯聚成一個巨型的陸地。

    Ulf Söderlund，瑞典隆德大學的科學學院教授指出：“我們的研究結果表明全球冰期作用和火山作用在同一時期發生。”

    另外，隆德大學最新的一項研究表明，這一時期稱為“大氧化事件”——生命起源的關鍵時期。根據南非火山巖的年齡測定，全球冰川化的發育時間要比以往認為的早200Ma。全球冰川作用預示著星球表面的大部分都被冰雪覆蓋。這樣廣泛的冰川發育事件被國際學術界稱之為“雪球地球”。最近一次的“雪球事件”發生在6億年前，此后，地球氧濃度顯著增加。

    最近的研究發現魁北克北部37.7億年前的巖石化石中存在微生物，這一發現又刷新了地球上生物的起源時間。如果考慮到當時地球年齡還不足10億年，這一發現確實讓人大為驚竒。

    這一發現無疑引起了科學界的爭論，因為嗜鐵菌侵蝕留下的化石、花絲、導管蟲也可以作為地質過程的產物。盡管倫敦大學研究組仍然堅信他們的研究結果，但是對于生命起源正面臨著微生物學研究的挑戰。

    目前，Guillaume Caro，法國洛林大學的一位地球化學家，提供了觀測這一科學問題的另一個視角。他認為地球早期地殼能夠保存在古老巖石中，如何檢測該信息可為研究地球的地質歷史時期奠定基礎 。他研究了冥古代魁北克北部的巖石，該時期約在40~45億年前，那時海洋剛剛形成，大陸開始生長，生命有可能也剛開始呈現。

     Caro尋找經歷了地球內部循環的早期巖石的蹤跡，即在加拿大魁北克北部的Ukaliq表殼巖帶，發現了短壽命放射性元素Nd-142的異常。

     “鑒于Nd-142很短的半衰期，這些異常只能產生于40億年之前，因此我們可以用它來追蹤最早的原地殼（proto-crust）到底發生了什么。” 他認為存在于這些具有38億年年齡巖石中的同位素異常表明，（其同位素異常）其間還包含有此前6億年的更古老地殼的殘留信息。這些古老的地殼下沉進入地幔，循環引發新的巖漿作用。

    Caro進一步解釋道，當古老地殼不再保存時，人們必須尋找隱藏在之后的同位素印跡。以前的研究者認為該地巖石年齡可達43億年，但Caro認為巖石年齡實際上僅為37.5億年，而只有Nd-142同位素異常實質上指示了更古老地殼的殘留。 

    一項研究采用了新的數字圖書館和機器學習的數據，并用于讀取并分析了數十年來百萬計的地學出版物的精華，以揭示古生命神秘的面紗：為什么在地球歷史長河中一度常見的疊層石終止了形成？

    疊層石是由微生物形成的扭曲的沉積物層，它們通常在灰巖和其他沉積在海洋環境下的古代沉積巖中。

     “在多細胞生物出現之前，地質學家知道在前寒武紀疊層石在淺海洋環境中長期存在。” Jon Husson，一位博士后與他的合作者認為，“但是在如今的海洋中疊層石卻很罕見。”

     Shanan Peters，威斯康星大學地球科學教授認為，“古生物學家將發生在5.6億年前疊層石的減少很大程度上歸因于動物的演化，各種多細胞的生物，例如蝸牛以細菌為食。這些大的、以微生物為生的動物的出現完全改變了疊層石的世界，即，原有的生物演化故事就終止了。

     最新的研究并沒有發現疊層石與生物多樣性有很大的關聯，但卻發現了它與海水的化學組分關系密切。

     Husson認為：“疊層石盛行最好的指示是淺海沉積物中的白云石。”白云石是一種高鎂的碳酸鹽，在較低Mg的碳酸鹽中白云石很難形成，如今也僅在較為狹窄的海域中形成。當海水中碳酸鹽過飽和時，疊層石就很容易形成，如在今天非洲的Tanganyika湖，盡管各種動物如蛇和魚也都在那里生存，但只要湖水碳酸鹽過飽和，就開始有沉積，微生物就參與并幫助沉積，疊層石就甚為豐富。而增高了的碳酸鹽濃度也有助于白云石的沉積，從而導致本文所發現的與疊層石生長的相關性。

    加拿大安蒂科斯蒂島艾利斯灣懸崖壁的地層保存了Hirnantian冰川作用期間沉積的巖石。島上收集的巖石樣品鋰水平表明硅酸鹽風化，比如花崗巖和頁巖，扮演了天然溫度計的角色，可以穩定地球溫度。

    早在1981年地質學家就提出巖石風化可以減少大氣中的CO2，在此過程中，地球變冷。隨著地球變冷，化學風化速度減緩，更多的CO2就會保留在大氣中，然后再次使地球變暖。盡管這個天然的“恒溫計”能夠解釋為什么火山爆發噴射出的CO2不能在大氣中持續積累，但是這一機理的現實物證卻仍未找到。

    但最新的研究發現4.45億年前，冰川作用引起了新一輪的地球變暖。

    Lee Kump，賓夕法尼亞州立大學的一位地球化學家，解釋道：“硅酸鹽巖石，比如花崗巖，與溶解在雨水中的CO2反應，可將CO2轉移到灰巖中，從而移除大氣中的CO2分子。” Pogge von Strandmann，英國倫敦大學學院同位素地球化學家，補充道：“這一反應也釋放了巖石中的鋰元素，盡管在地層記錄中很難分辨巖石變質是由于風化作用引起還是另有原因，但鋰同位素能夠提供一個相對簡單直接的風化記錄。”

    Pogge還補充道：“冰川作用之前，硅酸鹽風化每年釋放出150 Mt CO2。而在Hirnantian的峰期，我們計算模型中排放速率為35 Mt。”這表明減少了至少4-5倍的CO2量。隨著漫長地質時間的積累，其數量足可使地球氣候變暖。

    Kump指出，盡管這項新的研究認為外力很可能是恒溫器的主導因素，地球表面硅酸鹽巖石的暴露或許對風化作用也有較大的影響。在奧陶紀時期，山體隆起使得大量的硅酸鹽巖石暴露在外，這一造山帶位于美國東海岸，與酸雨發生反應促使風化加劇，導致大氣中的CO2下降，冰層變厚并覆蓋巖石，反過來降低了風化速率。

    Pogge說：“無論是造山作用還是溫室作用，可以肯定的是地球恒溫器確實存在，在某一個特定的時期和區域穩定地球的溫度，這將有助于科學家們了解地球是如何避免極端的氣候條件。”

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