在距今約5.4億至5.15億年前的寒武紀(jì)初期，地球生命經(jīng)歷了一場波瀾壯闊的大爆發(fā)，復(fù)雜多樣的多門類動物在演化史上突然出現(xiàn)。科學(xué)界認(rèn)為，充沛的營養(yǎng)物質(zhì)（如磷）和上升的氧氣水平是這場革命的兩個關(guān)鍵環(huán)境因素。然而，究竟是什么全球性事件在此刻按下了“啟動按鈕”？

近日，由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所、中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所聯(lián)合國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)找到了關(guān)鍵的地球化學(xué)證據(jù)，揭示了地球深部“引擎”驅(qū)動生命大爆發(fā)的新機(jī)制。

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地球化學(xué)“指紋”

此前研究曾聚焦于大陸碰撞造山帶來的風(fēng)化作用，但其主要活動期遠(yuǎn)早于生命大爆發(fā)，時間上難以吻合。

隨著研究的深入，一個與生命爆發(fā)時間高度重疊的“嫌疑人”浮出水面——岡瓦納大陸邊緣活躍的大陸弧火山。大陸弧火山如同地球的“深部物質(zhì)輸送機(jī)”和“全球加熱器”。它噴發(fā)出新鮮且富磷的火山巖，同時釋放二氧化碳導(dǎo)致氣候變暖，從而引發(fā)強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，向海洋輸送營養(yǎng)物質(zhì)。

但這一設(shè)想需要實(shí)證支持。

為了證實(shí)設(shè)想，研究團(tuán)隊(duì)的核心任務(wù)就是從海洋沉積物中，尋找到能夠證明“大量新鮮火山巖被快速風(fēng)化”的地球化學(xué)記錄。

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破譯古老海洋“密碼”

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了華南揚(yáng)子地塊多種沉積巖樣品的三種關(guān)鍵同位素。

鋨（Os）和鍶（Sr）同位素可作為物質(zhì)來源的“指示劑”，其在5.4億年至5.25億年前，這兩種同位素比值均顯著變輕，明確指示有大量源自深部地幔的新鮮火山物質(zhì)輸入海洋。

鋰（Li）同位素可作為巖石風(fēng)化強(qiáng)度的“速度表”， 在同一時期出現(xiàn)急劇下降，表明風(fēng)化作用劇烈，新鮮巖石被快速溶解。

這三項(xiàng)指標(biāo)同步發(fā)生的“負(fù)漂移”，構(gòu)成了一個可靠的證據(jù)鏈，揭示了地球在該時期經(jīng)歷了富磷新鮮火山巖快速風(fēng)化事件。

▲構(gòu)造運(yùn)動、沉積磷塊巖、同位素地球化學(xué)記錄與生物多樣性模式關(guān)系圖

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演化新模型

基于關(guān)鍵證據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)勾勒出地球深部活動驅(qū)動生命大爆發(fā)的完整因果圖景。

啟動階段（約550 Ma—540 Ma）：岡瓦納大陸邊緣的俯沖作用導(dǎo)致地殼增厚，同時弧火山活動向大氣釋放大量二氧化碳，引發(fā)全球氣候變暖，打開了強(qiáng)烈風(fēng)化的“開關(guān)”。

孕育階段（約540 Ma—525 Ma）：大陸弧火山活動達(dá)到高峰，噴發(fā)出巨量火山巖。這些巖石在溫暖氣候下經(jīng)歷快速風(fēng)化，將其內(nèi)部富含的磷等關(guān)鍵營養(yǎng)元素大量輸送至海洋。磷的激增促進(jìn)了海洋藻類的勃發(fā)，隨之而來的有機(jī)質(zhì)埋藏導(dǎo)致大氣氧含量顯著上升。當(dāng)氧氣水平達(dá)到支持大型、高能耗動物生存的臨界點(diǎn)時，寒武紀(jì)大爆發(fā)的序幕就此拉開。

綻放階段（約525 Ma—515 Ma）：風(fēng)化模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕纬绅ね恋V物為主的不一致風(fēng)化。這些黏土礦物進(jìn)入海洋后，進(jìn)一步促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的高效埋藏，如同一個“超級氧氣泵”，鞏固并提升了大氣氧氣水平，最終拉開了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的主幕。

▲俯沖和弧火山驅(qū)動的風(fēng)化和海水化學(xué)演化三階段模型圖

該研究成功揭示了從地球深部到淺表環(huán)境并最終觸發(fā)生命演化的完整因果鏈條，不僅詮釋了地球多圈層協(xié)同演化的復(fù)雜性和深部過程對地球宜居性的塑造機(jī)制，也為寒武系頁巖氣勘探有利區(qū)帶遴選提供了技術(shù)支撐。

來源：中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所

責(zé)任編輯：曹旸