近日，中國科學院海洋研究所孫衛東課題組劉鶴研究員聯合加拿大阿爾伯塔大學Kurt Konhauser教授以大資料分析方法對全球大陸火山岩的平均鎳（Ni）含量變化開展研究，指出陸地火山作用是控制地質歷史時期海水Ni豐度演化和大氣中甲烷含量變化的直接因素，相關成果發表於國際學術期刊Earth and Planetary Science Letters。
地球演化早期，大氣中幾乎不存在氧氣，但是卻充斥著大量的甲烷氣體。大氣中的甲烷在太古宙末期（~25億年前）發生急劇减少，業內稱之為“甲烷崩潰事件（Methane Collapse）”，隨之而來的是大氧化事件（Great Oxidation Event）的發生（~25-21億年前）和大氣中氧氣含量的永久性升高。過去曾有許多學者認為大氣中甲烷含量的减少是氧氣含量升高的結果。但是，加拿大阿爾伯塔大學Konhauser等人提出另外一種解釋：因為海洋中的產甲烷古菌需要Ni元素來合成生產甲烷所必須的甲基輔酶M還原酶（MCR），Konhauser等研究發現新太古代-古元古代時期形成的條帶狀鐵建造（BIF）中的Ni/Fe比值出現了快速降低現象，這代表海水中溶解性Ni元素含量减少，囙此他們認為海水中Ni元素豐度的下降導致了甲烷生成量的大幅度下降，並成為大氣中氧氣含量升高的前提條件。這一顛覆性觀點2009年在Nature發表後立刻引起很多國際同行關注，但也不乏質疑和反對。其中部分學者指出，太古代極度缺氧的海洋比元古代的海洋中含有更多的綠鏽（Green rust，一種同時具有Fe2+和Fe3+的氫氧化物，可參與BIF的形成），這種綠鏽對海水中的Ni元素有更强的吸附能力，所以BIF中觀察到的Ni/Fe比值的變化或許不能反映海水中Ni元素的變化。由此便產生了一個重要的疑問：太古代的海水是否真的具有更高的Ni含量？
為了給出這個問題的答案，劉鶴等從海洋Ni元素的源頭——陸地火山岩的Ni含量變化展開研究。海水中的溶解性Ni元素的來源主要是陸地火山岩中Ni的輸入，但是地質歷史時期全球陸地火山岩的平均Ni元素含量隨時間的變化情况尚未得知。在本研究中，科研人員收集了全球35億年以來形成的96000餘件陸地火山岩樣品和2037件BIF樣品的地球化學數據，並採用了一種網格化重採樣方法對數據進行統計分析，獲得了不同類型火山岩的Ni元素平均含量隨時間的變化規律，並與BIF和葉岩兩種海相沉積岩的數據進行了對比。
計算結果顯示，全球陸地火山岩的總平均Ni含量從35億年前的~600 ppm直線下降到20億年前的~100 ppm，而從20億年前至今則大致保持不變。在與沉積岩的資料對比後發現，陸地火山岩的平均Ni含量變化規律與BIF和葉岩中Ni元素的變化呈現出高度相似性，這表明海洋中溶解性的Ni和微粒狀的Ni均是受陸地火山岩Ni含量的變化控制的，也證實了從太古宙到古元古代海水中Ni元素豐度快速下降事件的發生。
地質歷史時期全球陸地火山岩平均Ni含量變化（A）與BIF（B）和葉岩（C）中Ni含量變化對比
在各類火山岩中，Ni含量最高的科馬提岩的噴發主要發生於太古宙和古元古代（>20億年前），並且科馬提岩的平均Ni含量從太古宙到古元古代逐漸降低；玄武質-安山質火山岩的平均Ni含量也表現為逐漸降低的規律；而英安岩-流紋岩的平均Ni含量則始終較低。囙此，全球火山岩Ni元素的總平均含量在35-20億年前的下降趨勢主要是由科馬提岩比例的减少和超基性-中性火山岩中Ni含量的降低而導致的。
Ni作為一種典型的相容元素，其在玄武岩中含量的逐漸降低可能代表了岩漿形成的平衡熔融溫度的下降，這與地質歷史時期地球的上地幔溫度逐漸降低的事實是一致的。然而在古元古代之後，玄武岩中的Ni元素含量不再降低似乎又與地幔溫度演化過程相衝突。科研人員針對這一問題做了進一步分析，因為火山岩中Ni與MgO含量正相關，以MgO代替Ni在pMELTS軟件中對地幔平衡熔融過程進行了類比，結果顯示岩漿中MgO含量會同時受到溫度和壓力的影響。如果玄武質岩漿形成的溫度降低，但壓力升高，則最終形成的玄武岩中的MgO（亦即Ni）含量可能會保持不變。基於這種思考，劉鶴等檢查了玄武岩-安山岩的Dy/Yb比值隨時間的變化，結果顯示在太古代以前，玄武岩-安山岩的平均Dy/Yb變化較小，但在古元古代之後，玄武岩-安山岩的平均Dy/Yb開始快速上升，反應了平衡熔融壓力的新增。囙此，地幔熔融溫度降低（T↓）和壓力新增（P↑）的共同作用可能是古元古代以後火山岩Ni元素平均含量不再繼續降低的原因，也是海洋中Ni元素豐度20億年以來保持不變的原因。
本研究工作受中國科學院戰略性先導科技專項、國家重點研發計畫、國家自然科學基金、加拿大科學與工程研究理事會聯合資助。
全文連結https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117116
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