发表要点
理论上表明，在大气中几乎不含氧的远古地球上发生巨大火山喷发的话，大气中的氧浓度有可能会暂时上升。
通过模拟远古地球物质循环系统的行为，明确了引起至今为止尚不清楚的远古末期“氧的波动”的主要原因。
我们期待着对原始海洋生态系统活动变化与地球环境演化的相互作用，以及大气氧浓度永久上升机制的理解取得重大进展。
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发布概述
东京大学研究生院理学系研究科的渡边泰士客座共同研究员及田近英一教授由东京科学大学理学院副教授尾崎和海、海洋研究开发机构副主任研究员原田真理子、筑波大学生命环境系助教松本广直等人组成的研究小组，在远古时代(注1 )晚期发生的“氧气波动”(注2 )我明确了引起事故的主要原因。
本研究开发了能够处理大气氧浓度低的远古时代大气及海水中物质的输送和化学反应的数学模型，是巨大火成岩岩石区(注3 )进行了推测伴随的形成的巨大火山喷发引起的火山气体的释放所引起的大气组成和海洋生物活动的变化的模拟，在世界上首次从理论上展示了巨大火山喷发和大气中氧浓度暂时上升的因果关系。
本研究在估算缺氧的远古时代巨大火山喷发后大气氧浓度的变化方面具有新颖性，随后发生的大气氧浓度急剧上升事件(大氧化事件)(注4 )对于引起的长期的地球环境和生命的进化也提出了新的观点(图1 )。
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图1 :地质学地球化学证据提示从远古时代到古原生代的地球环境演化
上段开始大气氧浓度(以0.21个大气压为当前值，用相对值PAL表示)、巨大火成岩岩石区( LIP )活动、河流沉积物中锆石(俯冲带花岗岩质火成活动)的年代分布、大陆生长的各种模型
发表内容
迄今为止的先行研究积累了地球化学证据，表明在太古代末期发生了“氧的波动”(图1 )。 特别是，最近有证据表明，在这种氧气波动发生前，曾引起过巨大火山喷发，但这些现象的因果关系尚不清楚。
研究小组受到这些现象之间前后关系的启发，率先在世界上开发了考虑当时大气及海洋中各种元素(碳、磷、硫、铁、氧、钙)涉及的物理过程、化学过程、生物过程，各元素的循环和相互作用的数学模型
得到的结果如图2所示。 随着巨大火山喷发的发生，大量的二氧化碳被排放到大气中，表明大气二氧化碳浓度急剧上升。 于是，大陆地坛的化学风化(注5 )的速度增大，岩石中的成分通过河流大量流出海洋。 特别是，由于限制负责当时海洋基础生产的光合生物的活动的必需元素(磷等)的供给速度也上升，因此作为产氧型光合生物的蓝藻(注6 )的基础生产上升到了之前的两倍以上，表明大气氧浓度将在数百万年到一千万年间上升。 由于这段时间的长度与根据地质证据推测的氧的波动发生期间一致，理论上表明了巨大火山喷发引起氧的波动的可能性。
此外，研究还表明，远古末期大陆的快速生长(图1 )有助于巨大火山喷发后从大陆向海洋供给营养盐的速度上升，形成了容易发生氧气波动的环境。 这一结果表明，发生氧涨落的太古代晚期地球环境，是大陆生长达到一定大小而引起大氧化事件的转折点(注7 )暗示已经接近了。
以上研究成果表明，即将发生大氧化事件的全球环境中大气组成的动态变化，可能与当时的火山活动、甚至长期的大陆地壳演化存在因果关系，表明在远古无氧环境向富氧环境转变过程中，地球环境与生命的共同演化
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图2 :物质循环模型对远古巨大火山喷发所导致的地球环境及大气组成演化的估算结果
从上段开始大气CO2分压(以300ppm为当前值，用相对值PAL表示)、海洋深层水中的磷酸盐浓度、海洋基础生产速度、大气氧浓度(以0.21个大气压为当前值，用相对值PAL表示)。
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东京科学大学、海洋研究开发机构、筑波大学
论文信息
杂志名称 communication s earth & environment ( springer nature )
论文标题
机械链接between intense volcan ism and the transient oxygen ation of the Archean atmosphere
作者 Yasuto Watanabe*，Kazumi Ozaki，Mariko Harada，Hironao Matsumoto，Eiichi Tajika(*责任作者)
DOI号码 10.1038/s43247-025-02090-x
研究资助
本研究是在科研费“从陆地挖掘中解读的氧化性地球环境的形成过程(课题编号: 24H00267 )”、科学技术振兴机构“从地球化学进化史向泛生命行星进化论的展开(课题编号: JPMJFR2274 )”的支持下实施的。
用语解说
注1太古代( Archean )
太古代是地质时代划分之一，根据国际年代层序表指40.31亿年前至25亿年前。 远古时代的大气中氧浓度比现在低6位数以上，被认为持续了极其无氧的环境。 参考:https://stratigraphy.org/chart ↑
注2氧的涨落( A whiff of oxygen )
太古代约30亿年前至25亿年前，大气氧浓度曾有过短暂上升的时期，这是根据对大气氧浓度上升反应灵敏的元素(如钼、铼、硒等)的浓集等所暗示的，称为氧的涨落。 暗示氧气波动的这种记录，被记录在澳大利亚和南美洲等多个地区的地层中，正在积极地进行研究。↑
注3巨大火成岩岩石区( Large Igneous Provinces，LIPs )
火成岩地区，由地幔布卢姆上升引起，长期喷出大量岩浆而形成。 发生在海洋地坛上的，称为海台；发生在大陆地坛上的，称为洪水玄武岩。 众所周知，一旦引起巨大火成岩岩石区的形成，温室效应气体二氧化碳就会大量排放到大气中，对地球环境和生物活动产生极大的影响。 在最近的时代，已知发生在中生代白垩纪中期(约1亿年前)和白垩纪/古第三纪边界附近(约6600万年前)等。↑
注4大氧化事件( Great Oxidation Event，GOE )
地球大气的大气氧浓度在地球历史初期几乎为零，但在地球历史上约2522亿年前和约86亿年前两次急剧上升，一直持续到现在。 大气氧浓度约25~22亿年前首次永久性急剧上升的事件称为大氧化事件。↑
注5化学风化( Chemical weathering )
大气中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中，与大陆地坛上的岩石中含有的矿物反应，溶解矿物的作用。 由于构成大陆地垦的硅酸盐矿物发生化学风化，河水向海水中提供阳离子和碳酸氢根离子，使碳酸盐矿物在海洋中沉淀，因此是一个从大气中净去除二氧化碳的过程。 众所周知，这一系列过程具有使大气中的二氧化碳浓度(即地球的气候状态)长期稳定的作用。↑
注6蓝细菌
地球上首次进行氧发生型光合作用的生物(细菌)。 虽然不知道是什么时候出现的，但一般认为在地球大气中氧浓度急剧上升的大氧化事件(约25-22亿年前)之前(约25-30亿年前)就已经出现了。 尽管如此，在当时厌氧(无氧)的地球环境中，其活动受到明显限制，环境中的氧气仍然很低。↑
注7拍打点( Tipping point )
指发生微小变化时该变化被放大而引起急剧变化的条件。 “转折点”的意思。 可以认为，大氧化事件的发生条件可能与大气中氧浓度的转折点相对应。
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东京科学大学、海洋研究开发机构、筑波大学
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