地壳中的碳酸盐如何积聚引发氧化作用，谜团中缺失的一块

地球大气如何从基本缺氧的环境转变为富含氧气的环境，这是行星演化史上最深刻的问题之一。这一剧烈转变被称为大氧化事件 (GOE)，标志着地球历史上的一个转折点，通常被认为是地球系统中最重要的环境转变。众所周知，通过光合作用产生氧气在这一转变中发挥了关键作用，但最近的的一项研究表明，地壳碳酸盐的积累也可能是塑造地球氧合的关键因素。

了解地球的氧化之谜

大约 24 亿年前，地球大气层发生了根本性变化，氧气开始在大气中积聚。在此之前，大气中几乎没有氧气，早期地球主要由甲烷和二氧化碳等气体组成。氧气的增加与光合作用的发展密切相关，特别是在蓝藻中，蓝藻开始释放氧气作为副产品。然而，虽然光合作用提供了氧气，但各种地质、化学和生物因素在决定氧气如何以及何时开始在大气中积聚方面发挥了重要作用。

近年来，新模型指出了地球氧化过程中一个重要但未被充分探索的因素：地壳碳酸盐的积累。地壳碳酸盐是由二氧化碳 (CO₂) 与钙或镁相互作用形成的矿物，形成稳定的碳酸盐化合物，如碳酸钙 (CaCO₃) 和碳酸镁 (MgCO₃)。这些矿物在长期碳封存以及调节地球气候方面发挥着至关重要的作用。

碳酸盐矿物在地球碳循环中的作用

当二氧化碳与某些矿物发生反应形成固体碳酸盐时，就会发生矿物碳化。这个过程可能发生在地球表面，大气中的二氧化碳会溶解在水中，也可能发生在地壳深处，风化和俯冲等地质过程会促进碳酸盐的形成。当二氧化碳与硅酸钙 (CaSiO₃) 等矿物发生反应时，会形成碳酸钙 (CaCO₃)，这是一种稳定的矿物，可以埋藏在地壳中数百万年。

这一过程不仅可以从大气中去除二氧化碳，还可以作为长期的碳吸收剂。因此，碳酸盐矿物有助于平衡大气中的二氧化碳含量，从而稳定全球碳循环。在地质时间尺度上，地壳碳酸盐的形成对地球气候产生了深远的影响，有助于调节温度和大气成分。

通过形成地壳碳酸盐封存碳对气候调节具有重大影响。当二氧化碳从大气中去除时，温室效应就会减弱，从而降低全球温度。这种冷却效应会影响风化速度，进而影响更多碳酸盐的形成。事实上，过去地球变冷的主要驱动因素之一是碳循环和硅酸盐风化之间的反馈，大气中二氧化碳的增加会导致硅酸盐岩石风化增强，进而促进碳酸盐的形成。

这些碳酸盐反馈回路对于理解地球气候如何在太阳辐射和大气成分不断变化的情况下保持相对稳定至关重要。通过从大气中去除碳并将其储存在地壳中，碳酸盐在调节地球温度方面发挥了关键作用，使其更有利于生命的发展。

碳酸盐积聚和氧气产生：缺失的环节？

早期生命面临的一个关键挑战是磷等必需营养物质的可用性。磷是光合作用的限制性营养物质，其可用性会直接影响氧气的产生率。

碳酸盐和磷酸盐等营养物质之间的相互作用对于地球气候、营养物质和氧气演化的耦合模型至关重要。随着地壳碳酸盐储层的扩大，它可能有助于向海洋释放更多生物可利用的营养物质，从而促进光合生物的生长。这反过来又有助于地球大气的氧合，因为更多的光合作用生物开始释放氧气作为其代谢过程的副产品。

碳酸盐岩的风化还会向海洋和大气中释放更多的二氧化碳和营养物质，这可能有助于维持氧气的生成循环。碳酸盐风化、营养物质的释放和光合生物的生长之间的这种反馈回路会形成一个强化循环，加速地球大气中氧气的上升。

虽然地球大气中的大部分氧气化作用都归因于蓝藻的出现，但最近的研究表明，地壳碳酸盐的积累可能有助于创造允许这一过程发生的条件。碳酸盐通过吸收二氧化碳来帮助稳定全球气候，从而降低大气温度，使环境更适合生命生存。这种气候稳定性可能为光合生物的繁殖提供了必要条件，并随着时间的推移显著增加大气中的氧气含量 。

新的研究发现

耶鲁大学、剑桥大学、英国利兹大学联合开展的一项研究，该研究考察了地壳碳酸盐堆积在地球氧气水平演变中的作用。通过地球化学模型模拟碳、氧和营养物质的相互作用，该研究探索了碳酸盐如何充当二氧化碳的长期吸收器，减少温室气体并为产氧生命形式创造有利条件。

研究发现，地壳碳酸盐在稳定二氧化碳水平方面发挥着关键作用，从而形成了更适宜氧化的气候。这项研究提出了一个全面的框架，用于了解地壳中碳酸盐的积累如何在调节长期大气氧气水平方面发挥关键作用。它将包括碳和营养循环在内的地质过程与生物进化联系起来，使其成为理解地球地球化学与氧气上升之间相互作用的重要资源。

研究认为，碳酸盐堆积是理解地球气候、营养物质和氧气耦合系统的关键因素，但这一因素却常常被忽视。研究强调，地球环境演变模型传统上忽视了地壳碳酸盐对氧合的影响。这一点意义重大，因为碳酸盐可能在控制全球碳循环、影响大气中的二氧化碳以及促成氧气在地球大气中积累的条件方面发挥着关键作用。

这项研究尤其重要，因为它引入了地球耦合气候和氧气演化模型中以前缺失的一个因素。

思考

相对于其他氧化过程，碳酸盐堆积的速度和时间如何？ 碳酸盐风化如何与全球磷和氮循环相互作用？ 碳酸盐的风化作用是否与微生物作用产生的氧合作用直接相关？

参考文献：Lewis J. Alcott, Craig Walton, Noah J. Planavsky, Oliver Shorttle & Benjamin J. W. Mills ，Crustal carbonate build-up as a driver for Earth’s oxygenation.  Nature Geoscience volume 17, pages458–464 (2024)，doi.s41561-024-01417-1

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