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Science:海洋鐵匯在調控早期大氣氧化中的角色
——三鐵同位素的限制
2020-11-12 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  鐵是地球上最為豐富的金屬元素之一,且相比于其他金屬元素,具有較高的氧化還原敏感度,因而沉積物中的鐵組分可準確地記錄地球歷史上大氣、海洋和陸地的氧化狀態及轉變歷程 Raiswell and Canfield, 2012)。眾所周知,地球表面的氧化歷史是一個極其復雜的進程,經過古元古代大氧化事件(GOE)、新元古代氧化事件(NOE)和古生代氧化事件三階段的提升才達到現今的氧水平 Lyons et al., 2014)。在早期大氣氧含量首次大幅度升高期間,可見大量的硫化鐵(如黃鐵礦)和鐵氧化物(Fe3+的氫氧化物)沉積,前者主要賦存在黑色頁巖序列中,而后者與硅結合形成大規模的鐵建造。 

  前人針對這兩種主要鐵的沉淀物開展了大量的鐵同位素研究(Dauphas et al., 2017),結果顯示GOE之前沉積的黃鐵礦的56Fe/54Fe比值具有高達-3.5‰的變化(相對大部分地球上巖石)(Rouxel et al., 2005),這在GOE之后的巖石記錄中很難見到這樣程度的分餾(圖1A)。對GOE之前沉積黃鐵礦特別輕的鐵同位素組成目前有三種解釋:(1)廣泛的Fe3+-氫氧化物形成,可能造成殘余海洋中溶解的Fe2+富集輕同位素;(2)微生物異化的Fe3+還原作用(DIR),優先釋放同位素輕的Fe2+進入水體;(3)伴隨黃鐵礦的部分沉淀過程的動力學分餾效應,生成同位素輕的黃鐵礦。這三種作用究竟哪一種起關鍵作用,一直爭論不休,直接影響到對GOE之前海洋的鐵循環認識。更重要的是,鐵氧化物的沉積是O2的損失,而黃鐵礦的埋藏則意味著大氣中O2含量相對增加。因此,地球早期古海洋中鐵的命運直接影響到對發生在大約23.2億年前大氧化事件(GOE)及鐵循環變化的認識。 

  對此,芝加哥大學Andy Heard等人創新性地運用三鐵同位素分析對早期沉積黃鐵礦的鐵同位素成因進行了約束 Heard et al., 2020)。他們首先分析了GOE之間的鐵建造三鐵同位素組成,認為遵從一條質量平衡線(圖1B)。因為這些鐵建造記錄了GOE之前海洋中的Fe3+-氫氧化物沉淀,可不同程度地反映鐵氧化對海洋中Fe2+的同位素組成的影響。隨后,通過實驗室的FeS-H2S溶液合成黃鐵礦的實驗,他們發現生成的黃鐵礦的δ'56Fe值(注:δ'xxFe=1000ln[(xxFe/54Fe)樣品/xxFe/54Fe)標準],其中標準為IRMM-014;而Δδ'xxFe值表示物理、化學或生物過程中δ'xxFe值的變化)比初始的FeS同位素偏輕達-2.4‰,認為反映了黃鐵礦形成過程中發生的動力學分餾,因此確定了一條同位素動力學分餾線(圖1B)。兩條線明顯不同,代表可能影響沉積黃鐵礦的鐵同位素組成的兩種不同機制。最后,他們測定了GOE之前(晚太古代到古元古代,2.66-2.32 Ga)的沉積黃鐵礦和黑色頁巖,發現樣品的三鐵同位素數據位于上述的兩條線之間。這些同位素組成表明黃鐵礦的生成需要這兩種作用,即起初海洋的鐵氧化作用和黃鐵礦自殘余海洋沉淀過程中伴隨的動力學分餾作用。 

1 GOE之前鐵沉積物、實驗室合成的黃鐵礦和FeS的鐵同位素系統。(A)早期沉積黃鐵礦和鐵建造的鐵同位素(δ56Fe)特征;(B)鐵建造、黃鐵礦和黑色頁巖的三鐵同位素系統(ε'56Fe-Δδ'57Fe)。所報導天然樣品和合成黃鐵礦的Δδ'57Fe值是與各自起始物質的差值,相對于標準物質IRMM-014。紅線和紅色陰影區域代表與鐵的氧化還原有關的質量分餾線,它們是通過分析同位素輕的、富錳的鐵建造獲得;黑線和黑色陰影區域表示黃鐵礦化過程中的動力學分餾效應,是測定通入H2S在實驗室沉淀黃鐵礦來限定。質量分餾線意味Fe2+氧化發生,它是由Fe2+-Fe3+平衡控制。GOE之前的黃鐵礦落在鐵氧化和黃鐵礦化兩個端元的中間區域

  根據瑞利分餾,Heard等人進一步約束兩種作用所占的比例(圖2),詮釋了沉積黃鐵礦偏負的δ'56Fe值的形成過程:早期海洋中的Fe2+主要來自于熱液,其δ'56Fe值接近0 ‰,當下部海水上涌到表層氧化水體中時,會發生氧化,部分Fe2+氧化形成Fe3+-氫氧化物,由于是部分氧化,因而形成的氧化沉淀物通常具有正的δ'56Fe值,而殘余的海洋中就會富集輕的Fe2+,當殘余海洋與硫結合時,會形成黃鐵礦沉淀,其中伴隨動力學分餾機制,致使黃鐵礦相比殘余海洋具有更低的三鐵同位素組成。 

2 同位素輕的黃鐵礦的三鐵同位素組成的解釋。(A 示意圖,顯示GOE之前海洋中兩種鐵匯FOX FPY和它們與O2循環之間的聯系;(B)黃鐵礦三鐵同位素特征的形成涉及到兩步作用。起始的鐵類似熱液的組成(黃點;Δδ'57Fe=-0.3‰)經歷部分氧化,造成殘余的海洋中Fe2+富集輕的δ'57Fe值,接著部分黃鐵礦自殘余海洋中沉淀下來,發生動力學分餾,形成現今可見更輕的δ'57Fe值;(C)三鐵同位素空間中黃鐵礦的數據和FOXfPy的等值線圖。按瑞利分餾模擬Fe2+的氧化和黃鐵礦化。在氧化過程中殘余海洋中的鐵同位素組成變化,當深部的Fe2+上涌到表層的氧化水體中,可發生部分Fe3+-氫氧化物沉淀;黃鐵礦化期間的鐵同位素分餾顯示出海洋沉淀物中黃鐵礦的鐵同位素組成變化特征;(D)黃鐵礦的數據和FOX/FPy等值線圖。當火山噴發氣體中的H2S/SO2比值為1時,二者比例為4;當火山噴發氣體中的H2S/SO2比值為0時,二者比例為10

  由于海洋中Fe2+的氧化需要游離氧,而黃鐵礦的埋藏會消耗有機質,間接可能釋放游離氧,那么地球早期海洋中這兩種最主要的鐵沉淀方式之間的平衡關系將會直接影響到局部水體環境中O2的積累。依據于此,Heard等人根據相關的反應和二者的比例關系,計算了不同的H2S/SO2比值下O2產量進行了計算(圖3),認為在局部水體環境中由于黃鐵礦埋藏所間接產生的O2量不足以被Fe2+氧化完全消耗。據此推測,兩種類型鐵沉淀方式的微小比例變化可能會造成GOE之前的海洋會局部存在游離氧。 

3 氧化鐵 (Fox)和黃鐵礦 (Fpy)占鐵匯的比例以及O2產量的估計。根據圖2的曲線,采用蒙特卡洛方法模擬,獲得海洋不同時期兩種沉淀形式的所占比例。黑色代表硫化鐵,灰色代表氧化鐵。根據火山噴發氣體中的H2S/SO2不同的輸入比,對O2產量進行估計,藍色實心方框代表輸入比為1,藍色空心方框代表輸入比為0。藍色實線以及陰影區代表H2S/SO2輸入比為1條件下的平均O2摩爾產量,藍色虛線以及陰影區代表在輸入比為0的條件下的O2摩爾產量    

  該項工作很有意義,一定程度上解決了地球早期海洋中沉積黃鐵礦的成因,但是仍有諸多有待商榷之處。例如,早期沉積的黃鐵礦的成因,可能部分是成巖作用,這樣形成的黃鐵礦的鐵同位素組成反映孔隙水中Fe2+而不是海水的組成;局部的水體環境(包括孔隙水)的鐵同位素組成也可遭受到DIR作用的影響(Severmann et al., 2008),但是該方法無法排除這種機制;鐵同位素的質量平衡線由富錳的鐵建造數據來約束的,而實際上GOE之前的鐵建造很少富錳,考慮到鐵建造的錳質大多賦存于其中的鐵碳酸鹽相,其鐵同位素組成極可能是DIR作用和初始的鐵氧化作用的綜合結果(Johnson et al., 2008);研究中涉及到的GOE之前的樣品量十分局限,代表性可能不足等。該研究工作的另外一個亮點是認為鐵沉淀方式的變化可能引起大氣的氧化,但也存在問題,首先,鐵的沉淀方式不僅僅是這兩種,還有其他方式,如自生的含鐵硅酸鹽和碳酸鹽礦物沉淀;其次,氧氣的積累應該僅發生于海洋,至于最終能否進入到大氣取決于諸多因素,不能簡單假設;最后,鐵的氧化方式有諸多種,不僅僅是需要游離氧的氧化(Konhauser et al., 2017),如果是其他不需氧的方式占主導作用,Heard等人的Science文章的結論和意義將大打折扣。此外,需要注意的是,GOE之前,尤其是在太古代整體還原環境中對海洋的生產力起決定作用的應該是厭氧的光合生物,而不是產氧的光合作用。     

  【致謝:感謝儲雪蕾研究員對本文提出的寶貴修改建議?!?nbsp;    

  主要參考文獻

  Dauphas N, John S G, Rouxel O. Iron isotope systematics [J]. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2017, 82(1): 415-510.鏈接 

  Heard A W, Dauphas N, Guilbaud R, et al. Triple iron isotope constraints on the role of ocean iron sinks in early atmospheric oxygenation [J]. Science, 2020, 370(6515): 446-449. 鏈接 

  Johnson C M, Beard B L, Roden E E. The iron isotope fingerprints of redox and biogeochemical cycling in modern and ancient Earth [J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2008, 36(1): 457-493. 鏈接 

  Konhauser K, Planavsky N, Hardisty D, et al. Iron formations: A global record of Neoarchaean to Palaeoproterozoic environmental history [J]. Earth-Science Reviews, 2017, 172: 140-177. 鏈接 

  Lyons T W, Reinhard C T, Planavsky N J. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere [J]. Nature, 2014, 506(7488): 307-315. 鏈接 

  Raiswell R, Canfield D E. The iron biogeochemical cycle past and present [J]. Geochemical Perspectives, 2012, 1(1): 1-2. 鏈接 

  Rouxel O J, Bekker A, Edwards K J. Iron isotope constraints on the Archean and Paleoproterozoic ocean redox state [J]. Science, 2005, 307(5712): 1088-1091. 鏈接 

  Severmann S, Lyons T W, Anbar A, et al. Modern iron isotope perspective on the benthic iron shuttle and the redox evolution of ancient oceans [J]. Geology, 2008, 36(6): 487-490. 鏈接 

(撰稿:王長樂/礦產室)
 
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