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2009-06-15 09:31:16 作者:飘飘何所似/编译 来源:化石网 浏览次数:2052 文字大小【】【】【

摘要:古土壤的氧化状态,铀矿的性质,红层的历史,黑色页岩的微量元素含量,条带状铁矿的年龄分布,真核生物的演化都吻合这个假说:在距今19-22亿年之间大气中O2的浓度极具升高。古土壤的数据表明在22亿年之前,大气 ...

古土壤的氧化状态,铀矿的性质,红层的历史,黑色页岩的微量元素含量,条带状铁矿的年龄分布,真核生物的演化都吻合这个假说:在距今19-22亿年之间大气中O2的浓度极具升高。古土壤的数据表明在22亿年之前,大气中氧气水平不到今天大气氧浓度的1%(≤1%),而自从19亿年之后大气中的氧气的浓度就达到了今天大气氧浓度的15%以上(≥15%)。


最直接的确定元古代早期大气成分的改变是寻找这个时期捕获了大气气泡的岩石。在冰芯中发现的气泡给大气演化的研究领域带来了革命。不幸的是,最古老的冰芯不过2万年左右,不可能在比这些冰芯老1万倍的岩石中找到很好保存的大气。至少到现在,早元古代大气的直接证据还没有,必须要靠非直接证据去推断,许多是依靠旁证,而所有的非直接证据都是近乎半定量的。


我们拥有的所有证据都来源与对早元古代表面环境的重建。风化的强度和化学过程部分由周围大气的化学性质所决定。古土壤因此是古大气化学有效的指示物,特别是在地球表面出现维管植物之前,这些植物对现代土壤中的空气有非常显著的影响。保存在沉积岩石中的自然风化产物的性质也是有用的,因为记录了那些在风化期间释放的金属离子,随后又被捕获在了黑色的富有机质页岩内。


其他大气成分的证据包括海水的氧化还原状态,生物圈以及古气候所需要的大气。目前来看,早元古代期间古土壤是最好的古大气指示物。因此本文首先讨论的是古土壤。其他指示物有相同的结论,与古土壤的结论十分一致,但是不能构成一个早元古代大气演化的完整模式。


古土壤:元古代大气转变的指标


因为古土壤的演化强烈受到环境大气的影响,古土壤剖面的性质至少部分可以被用来恢复古大气的成分。为了用古土壤进行研究,我们必须首先解决以下3个问题:(1)寻找一套确实是古土壤的沉积岩石;(2)研究整个地质时期的古土壤,恢复它们成岩作用之前的成分和矿物,如果必要的话,也可以恢复变质岩石;(3)将古土壤原始的成分和矿物学与大气成分相联系起来。


Holland and Zbinden(1988)已经建立了判断原位形成的古土壤的标准,并且至今不需要什么大的修正。后面的研究就是在古土壤向岩石转变过程中,在成岩作用和变质作用的改变方面进行了补充。特别是,我们发现三个古土壤中存在K+和Rb+的增加,这是由于局部的热扰动事件造成的。在古土壤的演化和大气成分之间的联系,已经被Kasting et al., (1985),


Pinto & Holland(1988), Holland et al.,(1989), Feakes et al., (1989), Holland & Beukes(1990)研究过。


所有不到19亿年的被详细研究的古土壤都表明受到了强烈的氧化(Holland, 1992)。大部分,即使不是全部,在母岩中存在的“FeO”都在风化过程中被氧化了,然后作为Fe2O3或Fe2O3的水合物保存在古土壤中。在所有22亿年之前在玄武岩中风化形成的古土壤,大量“FeO”在母岩中在风化期间在古土壤的上层淋滤出来,在土壤的下层作为氧化铁的水合物沉淀下来。“FeO”丢失的情况在22亿年之前在含硅更高的火山岩上风化出的古土壤中并不严重,但是这些古土壤并没有被详细的研究。


在22亿年之前的古土壤和19亿年之后的古土壤的区别显著,表明在元古代最早的几亿年之间的风化与后来的明显不同。这之前的区别几乎可以确定是由于大气中氧气的迅速升高造成的。在缺乏大气氧的情况下,“FeO”在风化过程中从硅酸盐中淋滤出来通过下面的反应:“FeO”+H2O+2CO2→Fe2++2HCO32-,在碳酸的反应下随着其他阳离子移动到土壤中。土壤水的PH值随着流动而增加,水中的CO2浓度逐渐下降,而HCO3-的浓度逐渐增加。出现的相关一种或几种硅酸盐亚铁矿物的饱和,可以解释在22亿年之前古土壤的绿泥石带还存在过量的“FeO”。一种或几种硅酸亚铁的沉积而不是菱铁矿,建立了一个土壤下部区域的CO2浓度的最高限定值,因此可以非直接的知识周围大气的CO2浓度。可以使用的铁蛇纹石(greenalite)Fe3Si2O5(OH)4非常不确定热动力学数据表明在古土壤的下部CO2浓度在≤目前大气浓度的10-2。分析含有菱铁矿的沉积岩中的地下水表明,这种矿物实际上是稳定的,相关的硅酸盐在小于目前大气浓度的10-2,但是铁蛇纹石(greenalite)和相关的硅酸盐在实验室的溶解度和稳定性的数据可以提供22亿年前CO2浓度的上限。

对O2


浓度最好的估计是对22亿年前的古土壤Fe2+没有被氧化,因此推测氧气浓度≤现今大气的2.10-3,即现今O2浓度的1% (Holland and Beukes, 1990)。而根据19亿年之后的古土壤都是被强烈氧化,则表明氧气浓度≤现今大气的0.03,即现今O2浓度15%左右。这些数字可能并不确定,但是吻合其他线索下推断的元古代大气的成分。


红层:元古代大气转变的指标


红层长期以来被认为是大气中存在自由氧的证据。Cloud在1968年指出最古老的红层的地质年龄在距今18-20亿年之间。后来最古老红层的地质年龄向前延伸了一些。在俄罗斯和芬兰交界的卡累利阿地区(Karelia),耶杜里期(即Jatulian, 距今23–21亿年)的红层,特别是在芬兰的红层主要在芬兰地调局的工作下,已经被很好的地质定年并受到广泛的关注。耶杜里群地层沉积在24.4亿年的侵入岩之上,沉积环境为大陆裂谷环境。耶杜里群地层被三组辉绿岩的岩墙和岩床切穿和插入,地质年龄分别是22亿年,21亿年和20.6亿年。红层在耶杜里群地广泛分布,大部分可能要小于22亿年,但是有些可能更老。这些最古老红层的确切年龄还不知道,因为基底和耶杜里群底部的确切时间间隔还没有检测到。目前来说红层表明大气中游离氧已经到了一定量的程度,在耶杜里群红层的分布表明在22亿年之前在大气中就已经存在了游离氧。这也吻合南非元古代末期的红层的分析(Eriksson and Cheney, 1992)。

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本文引用地址:http://web.uua.cn/kepu/show-4814-1.html

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