科学通报|大气增氧机制：地球表层过程与深部氧化还原状态的耦合

氧是地球上最丰富的元素之一。氧气(O2)的产生和积累是地球表面有氧代谢和生物多样性的先决条件之一。自由氧所驱动的氧化还原过程是元素循环的主要动力, 进而对于维持地球表面的宜居属性至关重要, 例如有氧呼吸产生能量供给生命的各种活动就与C-N-S-H-O的循环密切相关；氧气也参与地球深部物质的氧化还原, 直接调控深部的氧化还原平衡并驱动部分地球动力学过程。

产氧光合生物是现代大气O2的最主要来源, 如蓝细菌、藻类、草本和木本植物, 这些生物利用太阳能作为能量来源, 水作为电子供体, 在固定CO2的同时释放O2。虽然目前对产氧光合生物起源的时间仍有争议, 但一般认为其至少在25亿年前已经起源, 是导致古元古代大氧化事件及后续增氧事件的主要原因。然而, 对于在地质历史时期产氧光合生物产氧量的变化及其控制因素并不清楚, 对非生物来源的O2是否在某些地质时期或者某些典型增氧事件中扮演了重要角色并不清楚。

近年来人们逐渐认识到, 地球深部可能通过多种方式对地质历史时期典型增氧有重要贡献。例如, 深部向表层释放的还原性气体通量的下降会降低地球表层的O2汇, 进而使得大气O2含量升高。此外, 超高压矿物化学的模拟实验研究表明地球深部会产生大量铁的超氧化物, 可能会以O2的形式释放到地球表层, 提高O2的源,进而导致大气O2含量升高。

因此, 建立一套从地球大气圈到地球深部的氧元素循环模型对理解氧气来源、古元古代大氧化事件的成因等重大科学问题至关重要。这种模型的建立需要地球科学多学科以及与其他学科的交叉, 从理论、实验结果与现有地质记录等方面联合攻关。

综合地球各圈层的既有证据, 深部与浅部过程相结合, 总结大气O2的源与汇, 是近年来发展迅速的一个研究方向。

本综述整理近年来具有代表性的相关工作, 对既有理论和假说加以限制, 总结目前学界对大气氧源与汇的观点与理解, 聚焦地球深部过程：(1)地幔氧化还原状态演变；(2)矿物物理化学的新认识；(3)深浅耦合过程及其机制与大气氧分压(pO2)波动；(4)最后展望进一步需要解决的关键科学问题。

胡清扬, 罗根明, 李元. 大气增氧机制: 地球表层过程与深部氧化还原状态的耦合. 科学通报, 2024, 69(2): 253–267,

https://doi.org/10.1360/TB-2023-0109

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