成都理工大学李超教授团队再发Nature：地球氧化过程获突破性进展

抖音热门 2025年08月28日 05:16 1 admin

成都理工大学李超教授团队再发Nature：地球氧化过程与机制研究获突破性进展

8月27日23时，成都理工大学李超教授团队在国际顶尖学术期刊Nature上发表题为“Two-billion-year transitional oxygenation of the Earth’s surface”（“地球表面20亿年过渡性氧化”）的最新研究成果，其中论文第一作者是成都理工大学王海洋研究员，通讯作者是成都理工大学李超教授和南京大学彭永波教授。

DOI：10.1038/s41586-025-09471-4

参与此研究的还有成都理工大学程猛研究员、侯明才教授和张子虎博士，南京大学鲍惠铭教授、曹晓斌教授，中国科学院南京地质与古生物研究所张俊鹏副研究员和郄文昆研究员，加州大学河滨分校Timothy W. Lyons教授，西澳大学Matthew S. Dodd博士，墨尔本大学帕克维尔分校Malcolm Wallace教授和Ashleigh v.S. Hood博士。李超教授领导了此项研究。

▲李超（右）与王海洋（左）合影

研究团队创新性地采用了可广泛获取的碳酸盐结合态硫酸盐中的叁氧同位素（Δ′17O）来示踪地球大气氧含量的演化过程，借助该指标可连续记录大气氧特有的非质量依赖型氧同位素负异常信号的这一特点，首次以直接高分辨记录表明4.1亿年前地球大气氧含量已达到现代水平，证实了地球大气由无氧向富氧转变的阶段性演化，揭示了其历时约20亿年，并精细刻画了这一过程中大气与海洋氧化状态的复杂耦合特征，为深刻理解地球生命起源与演化以及沉积矿产和油气形成提供了关键的环境背景。

据团队介绍，地球大气氧含量从无到有并达到目前的富氧状态是驱动复杂生命起源演化、改善地球宜居性以及形成重要沉积矿产和油气资源的核心过程。科学界已经认识到，地球大气氧含量的演化呈现多阶段上升的模式。

不过，其关键时间节点、具体演化路径，以及其对海洋氧化还原状态和生物演化的影响，仍旧很不清晰。传统研究多借助反映海洋氧化还原状态或大陆风化特征的指标，来间接推测大气氧含量的变化。

与之不同的是，李超团队创新性地利用可广泛获取的碳酸盐结合态硫酸盐中的叁氧同位素(Δ′17O)，来直接重建地球大气氧含量的演化。叁氧同位素能够记录大气氧独有的非质量依赖的氧同位素负异常信号，进而可以更直接地追踪古大气氧含量的变化，而碳酸盐结合态硫酸盐的叁氧同位素则不仅克服了长期以来传统方法易受多种因素影响，难以准确反映古大气氧含量的变化的问题，而且解决了前人使用蒸发硫酸盐难以建立地史连续的叁氧同位素记录的问题。

通过系统采集分析近10亿年的碳酸盐结合态硫酸盐及可获取的蒸发硫酸盐叁氧同位素组成，并整合已有的文献报道，李超教授团队构建了过去30亿年的沉积硫酸盐叁氧同位素演化记录。

结果显示硫酸盐Δ′17O值在数亿年长时间尺度上呈现明显的三阶段性变化，分别对应古元古代、新元古代与古生代三次关键的氧含量升高，最终在4.1亿年前后趋于稳定，标志着现代富氧大气环境的正式形成。

更为重要的是，新元古代大气氧含量跃迁后，以缺氧为主的海洋系统出现了脉冲式的氧化增强，表现为该时期反复出现的沉积碳酸盐碳同位素组成（δ13C）的显著负偏，并伴随沉积硫酸盐Δ′17O和硫同位素组成（δ34S）的一致下降。结合NEOCARBSULF系统生物地球化学模型与O₂–CO₂箱式模型的定量分析，研究认为这些耦合的C-S-O同位素扰动反映了阶段性升高的大气氧对缺氧海洋的脉冲式氧化。

这一过程促进了海洋中溶解有机碳和还原性硫的氧化，产生了大量具有亏损34S/17O/13C特征的硫酸盐和无机碳，从而导致上述三个同位素在百万年尺度上的协同变化。同时，这一过程作为负反馈机制在百万年短时间尺度内快速消耗了大气氧，从而抑制并逆转了大气氧含量的持续上升。

这些发现表明，大气与海洋氧化状态在数亿年尺度上表现为正相关协同演化关系，而在百万年尺度上则可能呈现负相关协同演化关系。也就是，百万年尺度的负反馈调控叠加于数亿年尺度的大气-海洋氧化总体增强趋势之上，揭示了地球表生系统氧化过程的高度非线性和多尺度反馈调节机制。

综上，李超教授团队首次用直接高分辨记录明确了地球大气氧含量在4.1亿年前达到现代水平，证实了地球表层经历三阶段氧化历史。

阶段一：24亿年之前为近乎无氧状态。

阶段二：24至4.1亿年期间为相对低氧、动态波动并阶段性升高。

阶段三：4.1亿年后进入稳定的富氧状态，构建了地球表层长达20亿年的渐进式动态氧化框架。研究进一步揭示了大气和海洋在这漫长、渐进式动态氧化过程中的协同演化机制，为理解新元古代至早古生代异常碳同位素记录和复杂真核生命漫长而阶段性快速演化提供了关键基础。

更为重要的是，本研究表明整个新元古代-古生代早期古海洋中可能存在一个超大型溶解有机碳库，其可能作为一个新的有机碳源为古老油气资源的形成提供物质基础，为深层超深层油气勘探提供了新思路。

40亿年来沉积硫酸盐的Δ33S 和Δ′17O记录首次直接刻画了地球大气长达20亿年的三阶段氧化（图b），其揭示了地球大气（图a-b）和海洋氧化（图c）在数亿年时间尺度上的正相关关系和在百万年时间尺度上的负相关关系及其生命效应（图源 Wang et al. (2025) Nature）

据悉，李超教授团队于2023年在Nature上还发表了论文“Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle”（“解密埃迪卡拉纪磷循环”）。李超团队主要致力于早期地球环境演化及其生命、矿产和能源效应领域的研究。

▲李超团队

来源丨成都理工大学 #头号创作者激励计划#

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