20亿年前的碳同位素异常并非全球事件？新研究揭示局部地质过程作祟

大约在25亿至20亿年前，地球表面经历了史上最大的化学转变：氧气开始在大气中积累，为约5亿年后复杂生物（如植物和动物）的崛起铺平了道路。随着氧气水平的首次上升，大量微生物物质被埋藏在海底，将碳封存在岩石中，并留下了独特的同位素特征。数十年来，许多科学家将这一特征解释为地球碳循环在全球尺度上发生剧烈失衡的证据。然而，一项由加州理工学院领导的新研究对此提出了质疑。

著名的早期地球信号

支持传统解释的证据来自俄罗斯卡累利阿和加蓬Francevillian盆地的古代海洋沉积物钻芯。这些钻芯是從地下深处提取的长圆柱状固体岩石。加州理工学院的研究人员对俄罗斯Zaonega组——世界上最古老的已知化石油田之一——的岩石进行了研究。论文第一作者、加州理工学院高级科学研究员Nivedita Thiagarajan（博士'12）表示：“一个主要争论集中在一个不寻常的碳同位素信号上，它常被解释为全球环境变化的证据。我们研究了俄罗斯卡累利阿Zaonega组岩石微观孔隙中捕获的气体，发现这个关键地点的碳同位素信号可以通过一个几百平方公里的沉积盆地内发生的局部现象来解释，而非全球范围。”该研究发表在《Geology》杂志上。

碳同位素——元素的较重或较轻形式——提供了关于数十亿年前积累的生物物质来源的信息。通过测量钻芯中这些同位素的相对含量（即碳同位素信号），研究人员可以建立古代环境变化的记录，有点像读取树木的年轮。在Zaonega组和加蓬岩石中发现的一种不寻常的碳信号被称为Shunga-Francevillian事件。科学家们常将其作为约20亿年前地球经历重大全球碳循环破坏的证据。挪威地质调查局（NGU）研究员、合著者Aivo Lepland解释道：“地球在氧气出现在大气中的那个时期，某种程度上‘发疯’了。我们试图评估的是地球氧化的原因和后果。这些信息存档在岩石中，因此要研究发生了什么，就必须研究岩石。”

封存了20亿年的气体

为了从另一个角度审视Shunga-Francevillian事件，研究人员分析了NGU存储的钻芯。他们重点关注了Zaonega组富含焦沥青样品中微观流体包裹体内封存的气体。Zaonega组曾经是海洋沉积盆地的一部分。焦沥青是一种不溶性有机碳，当埋藏的原油或干酪根（天然气的源物质）在地下深处受到强烈加热时形成。该项目在Lepland到加州理工学院休假时成形。他带来了一批新的Zaonega岩石中捕获气体的同位素测量数据，这些数据尚未得到充分解释。与此同时，Thiagarajan和Eiler最近完成了测量天然气中同位素比值的研究，这帮助他们建立了一个更广泛的框架来理解天然气如何形成。当研究人员将两组专业知识和数据结合起来时，对古代同位素信号的不同解释开始浮现。

岩浆、甲烷和微生物

研究团队提出，在Zaonega组，当时位于史前海洋之下，一片岩浆侵入海洋沉积物层。岩浆的热量加热了富含有机物质的沉积物。这种加热产生了包括甲烷和丙烷在内的碳氢化合物。这些气体随后向上穿过沉积物，最终到达生活在海底附近、消耗甲烷的微生物。这些微生物产生的生物质带有轻碳同位素特征，可能解释了岩石中保存的不寻常信号。温度证据支持这一情景。研究人员发现了一个巨大的热梯度：在岩浆侵入体旁边温度达到约350摄氏度，而在高出约300米的一个古代海底沥青溢出点，温度降至约72摄氏度。Thiagarajan说：“这一系列地质和生物过程可以解释Zaonega组记录的不寻常碳同位素信号。有趣的是，我们在现代油气盆地中观察到的一些相同特征，也存在于并保存在20亿年前的样品中。”研究人员强调，他们不能完全排除其他过程的贡献。尽管如此，他们的结果表明，Zaonega保存的碳同位素异常主要是由局部沉积盆地内的事件驱动的，而非全球性扰动。Thiagarajan表示：“因为Zaonega是Shunga-Francevillian事件的参考地点，我们的发现提出了重要问题：它是否应被视为全球性事件。”

在加蓬验证理论

下一步将是确定同样的解释是否能说明在加蓬发现的类似同位素信号。研究人员计划分析通过GOE-DEEP项目收集的样品，该项目由国际大陆科学钻探计划共同资助。目标是测试在俄罗斯发现的局部地质和生物过程是否也塑造了加蓬的岩石记录。2025年夏天，Lepland在加蓬花了四个月协调钻探活动。新回收的岩芯于二月抵达NGU，并计划在今年晚些时候由代表18个国家的国际研究团队进行采样。Lepland说：“现在我们可以通过对加蓬岩石进行类似研究来真正将事情整合起来，比较两个地点。这就是科学前进的方式。”该《Geology》论文标题为“Paleoproterozoic thermogenic hydrocarbon generation, Zaonega Formation, Russia”。其他作者包括德国自然同位素分析实验室Hydroisotop GmbH的Florian Eichinger和苏格兰圣安德鲁斯大学的Anthony Prave。