地球岩石蘊藏数十億年前的空氣踪跡
Earth’s rocks hold whiffs of air from billions of years ago
5 MAR 2025 2:10 PM ETBYPAUL VOOSEN
f t地球的大氣層，這層使大多數生命成為可能的氣體外衣，在時間上經歷了極大的變化。被困在極地冰芯中的古老空氣泡提供了可靠的大氣檔案，追溯到600萬年前——但這僅佔地球歷史的不到0.2%。對於更早的時代，即生命的起源和繁盛時期，研究人員不得不從古老的岩石中保存的金屬和礦物化學作用的證據推斷大氣成分。
現在一小群研究人員正在採用一種更加直接的方法：分析困在鹽分、石英脈和結晶岩漿中的微小液體和氣體囊泡。他們從跨越30多億年的樣本中提取了惰性氣體、氧氣、氮氣和二氧化碳的直接記錄。這是在地球歷史研究上的一大躍進，倫斯勒理工學院的化學家沈勞爾（Morgan Schaller）領導其中一個項目前說：「我想沒有人會預期能從這些儲層中獲得原汁原味的大氣樣本。」
研究人員從這些樣本中所學習到的大多數內容仍然是初步性的。但一些工作，部分在去年年底於美國地球物理聯盟（AGU）年會上展示的研究已經確認了一些關於大氣歷史的假設——並推翻了其他的。沈勞爾的團隊最近找到了直接證據，顯示氧氣水平足夠高以支持動物呼吸，在最早出現動物不到8億年前就已如此。
大氣層始終反映著它下方星球的情況——而在45億年前開始時，地球表面是一片岩漿海洋。當岩漿中的氣體滲出並在後續的火山爆發和小行星及彗星的碰撞中被釋放時，地球就獲得了一個大氣層。隨著時間的推移，氮氣成為空氣的主要成分，因為它非常穩定且太重，不像氫或氦那樣能逃逸到太空。氧氣直到約30億至35億年前才開始出現，當時第一批進行光合作用的微生物開始釋放它。
大氣層之後是如何進化的則一直是一個謎——這就是為什麼直接證據會如此有用的原因。地質學家早就知道岩石可以捕獲大氣的一部分。例如，當岩漿冷卻時，正在形成的晶體中的缺陷可能會困住周圍的液體和氣體。但要接觸這些時間囊並不容易。「你可能會認為這很直截了當，找到一個氣體然後分析它，」曼徹斯特大學的化學家雷蒙·伯吉斯（Raymond Burgess）說：「但在地質年代中那麼久遠的時間裡看來，事情從來不會簡單。」
要取得這些氣體，研究人員會粉碎岩石。在真空密封機器中，他們逐步提高壓力。樣本的不同部分在不同壓力下會失效，釋放出被捕獲的氣體脈衝，然後這些氣體被吸入質譜儀進行分析。重複這個過程足夠多的岩石次數，你可能會捕獲足夠的氣體來看到古代信號。「關鍵是粉碎一種瘋狂的數量，」聖路易斯華盛頓大學的地化學家帕萊說。她所指的「瘋狂」意味著大約10克的岩石。
即便如此，獲得足夠分析的氣體依舊需要運氣。第一批成功的人之一是洛林大學的地化學家馬蒂。2010年代初，他開始目標锁定在西澳大利亞形成於35億年前以上的太古代時期所困在石英脈和重晶石結晶沉積物中的包體。利用惰性氣體同位素進行放射性定年法，證實這些包體同樣古老，馬蒂的團隊最終說服了持懷疑態度的同行。「這是太古代的大氣。它是非常古老的空氣，」巴黎行星物理研究所的地化學家阿維斯說，他曾受訓於馬蒂。
惰性氣體不僅可以揭示年齡。因為這些氣體——氬、氖、氙——不會與其他元素發生化學反應，因此它們是追溯如火山噴發等影響大氣的物理過程的良好追蹤器。
阿維斯的團隊最近在印度中部的一個直徑11公里的達拉撞擊結構工作。大約20億年前，一個大型隕石在這裡撞擊地球。撞擊後，熱水充滿了地表裂縫，溶解的礦物最終以熱液瑪瑙的形式沉積下來。阿維斯和他的同事們在AGU會議上報告說，從瑪瑙包體中提取出的惰性氣體是太古代之後的元古代時期的第一個大氣樣本。氬-40的含量僅略高於太古代水平，阿維斯認為這表明火山活動可能放緩了數百萬年，導致外排減少。
這些氣體最終來自地球的地幔，帕萊的研究團隊已在來現在格陵蘭島的岩石中看到了它們。他們分析了一種30億年前形成的輝長岩，這種結晶熔岩形成於一個地殼板塊被另一個地殼板塊俯衝到海洋溝時的情況。「這是一個30億年前俯衝帶的瞬間快照，」帕萊說。華盛頓大學的研究生帕茨考夫斯基從中恢復了惰性氣體，他和帕萊認為這些氣體既來自古老的地幔，也來自與空氣平衡的海水。
Schaller 則追蹤了古老的氮、氧等與生命相關的大氣成分。為了這樣做，他的團隊研究了鹵石：這是今天在死亡谷等地淺湖中沉積的鹽類。白晝時，隨著水溫升高，鹽分結晶並浮到表面形成筏子，這些筏子可以捕獲空氣和水的包體，輕柔地保存著這些氣體。當這些筏子變成岩石，液態包裹體「成功存活了很長時間」，Schaller 說。
不過棘手的是，它們在封閉空間中同時困住了空氣和水，其中一部分空氣會溶解到水中，從而扭曲大氣成分的測量結果。但在過去十年間，隨著 Schaller 建立了他的鹵石研究方法，他發展出了一種校正該過程的方法。
另一個由 Western University 的地球化學家 Nigel Blamey 領導的研究小組也研究了鹵石包裹體，並取得了驚人的結果。在 2016 年發表於《地質》（Geology）的一篇論文中，研究人員報導 8.15 億年前的空氣含氧量為 11%。Blamey 準備近期發表的研究發現，來自俄羅斯的 20 億年前岩石中的氧氣濃度達到 16%，接近目前的濃度。這些結果都遠高於預期；常規觀點認為氧氣在大約 8 億年前之前一直保持很低，僅有幾個短暫的峰值，而其後的上升幫助引發了動物的進化。因此 Blamey 的工作面臨著懷疑，加州大學河濱分校的生物地球化學家 Timothy Lyons 說。
Schaller 大致上因為他們沒有像他那樣校正溶解氣體的原因而質疑 Blamey 的結果。在 2024 年 12 月發表於《岡瓦納研究》（Gondwana Research）的一篇論文中，他和 RPI 碩士生 Justin Park 對 Blamey 的原始數據進行了這種校正。他們發現 8.15 億年前的空氣氧含量不是 11%，而是 6.6%——仍然高於間接估計值，但並不是高出很多。
在 AGU 大會上提出的報告中，Schaller 和 Park 將自己對鹵石記錄的研究推回到了 14 億年前。這正好處於「乏味的十億年」中期，當時人們認為地殼和氣候都很穩定，進化也很緩慢。使用來自蘇必利爾湖西北岸沉積物的樣本，他們發現氧氣濃度為 1%。這看起來並不多，但仍然高於預期，足以支持早期動物的發展——儘管沒有那麼久遠的化石記錄來證實。
「乏味的十億年」現在變得更有趣了，Schaller 說。地球整個歷史都變得更引人入勝，因為現在我們有了新的方式來探索它。