海洋硫酸盐作为古生代转变的记录，对陆地风化环境演变的洞察
地球大气氧气的演化
地球大气中的氧气水平经历了多次显著变化，最早的“大氧化事件”发生在约25亿年前，标志着地球大气中氧气的首次显著增加。然而，现代氧气水平的最终形成发生在泥盆纪早期，约420至387.7百万年前，这一时期的氧气上升与陆地植物的繁盛密切相关。
陆地植物在泥盆纪早期的繁盛对地球化学循环产生了深远影响，早期陆地植物的根系系统加深了风化层，改变了黄铁矿氧化的位置，减少了大气氧气进入硫酸盐的途径，同时，陆地植被释放了更多的氧气，促进了土壤中铁的氧化还原循环，最终导致大气氧气水平的上升。
海洋硫酸盐记录陆地风化环境的过度
传统上，科学家通过稳定同位素重建或海洋沉积物中氧化还原敏感金属及其同位素的变化来间接推断古大气的成分，然而，这些方法的时间分辨率存在较大的不确定性，特别是关于地球何时达到现代氧气水平的估计跨度超过5亿年。
而硫酸盐的三氧同位素（Δ¹⁷O）是研究古大气氧气水平的重要工具，Δ¹⁷O反映了氧原子来源的异常性，负的Δ¹⁷O值通常表明硫酸盐中的氧原子来自大气氧气。硫酸盐中的氧原子可以来自大气氧气或水，通过分析硫酸盐的Δ¹⁷O值，可以推断出硫酸盐生成过程中氧气的来源及其与大气氧气的关系。
为了探究地球表面环境何时从元古代的氧化风化模式转变为现代的风化环境，研究团队通过对12个全球分布的海洋蒸发岩盆地进行高精度的三氧同位素（δ¹⁸O, Δ¹⁷O）测量，这些盆地的时间跨度涵盖了过去的5.42亿年，研究分析了这些盆地中硫酸盐的同位素组成。
研究团队发现，在中古生代420至387.7百万年前的海洋蒸发岩中，硫酸盐的三氧同位素组成发生了显著的阶梯式变化。在≤387.7百万年的硫酸盐Δ¹⁷O值接近于零，而≥420百万年的硫酸盐Δ¹⁷O值显著为负值。这种变化表明，硫酸盐中不再保留大气氧气的同位素信号，暗示了硫循环和氧循环的重大转变。
该研究认为，泥盆纪早期（约407百万年前）陆地植物的根系系统加深了全球风化环境，导致了硫酸盐中不再保留大气氧气的同位素信号，这一变化与陆地植物的繁盛和土壤厚度的增加密切相关，支持了陆地植物通过增加有机碳埋藏，释放出游离氧，促进了土壤结合铁的氧化还原循环，最终导致氧气上升到现代水平。
图：十亿年来海洋硫酸盐氧同位素组成的记录
大约过去 10.5 亿年中体积显著的海洋硫酸盐蒸发岩盆地的氧同位素组成（Δ17 O）。实心圆圈（本研究）和空心圆圈（见 SI）表示为每个盆地样本的函数，以中位数为中心，误差线表示每个分布的第25和第 75四分位数。在填充的蓝绿色区域19中可以看到平滑的拟合，新生代-白垩纪硫酸盐记录的置信区间为 95% 。顶部是与大气 pO2上升有关的地质事件时间表。两次新元古代雪球地球事件（元古代冰川期）用垂直蓝条表示。不包括来自马里诺重晶石晶体扇（即非蒸发岩沉积物）的数据。灰色虚线表示基于海洋硫酸盐蒸发岩记录对pO2上升的时间限制。
❓思考题：地球大气中的氧气水平在哪个地质时期达到了现代水平？
A. 元古代
B. 泥盆纪
C. 白垩纪
D. 新生代
正确答案：（点击参考）
B.
解析：根据这项研究，地球大气中的氧气水平在泥盆纪早期（约420至387.7百万年前）达到了现代水平。这一变化与陆地植物的繁盛密切相关，特别是早期根系系统的发育，增加了有机碳的埋藏，释放了更多的氧气。因此，正确答案是B。元古代（A）是地球氧气水平较低的时期，白垩纪（C）和新生代（D）虽然氧气水平较高，但并非达到现代水平的关键时期。
参考文献：Anna R. Waldeck, Haley C. Olson, Peter W. Crockford, Abby M. Couture, Benjamin R. Cowie, Eben B. Hodgin, Kristin D. Bergmann, Keith Dewing, Stephen E. Grasby, Ryan J. Clark, Francis A. Macdonald & David T. Johnston ，Marine sulphate captures a Paleozoic transition to a modern terrestrial weathering environment. Nature Communications volume 16, Article number: 2087 (2025) ，doi：10.1038/s41467-025-57282-y