成都理工大学李超教授团队在国际顶尖学术期刊PNAS发表突破性成果：揭秘地球表层氧化的一级驱动

近日，成都理工大学李超教授团队在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences (USA), PNAS）上发表题为“Subduction modulated the long-term oxygenation of Earth's surface”（俯冲作用驱动了地球表面的长期氧化）的最新研究成果，首次从地球系统跨圈层联动的视角，揭示了板块冷俯冲作为驱动地球表层长期氧化的“关键引擎”。论文第一作者为沉积地质研究院石炜研究员，通讯作者为石炜研究员和李超教授，合作者包括成都理工大学侯明才教授、英国利兹大学Benjamin Mills教授和Simon Poulton教授、美国马里兰大学Michael Brown教授、澳大利亚科廷大学Tim Johnson教授、中国地质大学（武汉）及美国辛辛那提大学Thomas Algeo教授、中国地质科学院矿产资源研究所王春连研究员以及中国科学院地质与地球物理研究所赵明宇研究员。

论文信息： Shi, W. (石炜)*, Li, C. (李超)*, Mills, B.J.W., Brown, M., Johnson, T., Algeo, T.J., Hou, M. (侯明才), Wang, C. (王春连), Zhao, M. (赵明宇) and Poulton, S.W. Subduction modulated the long-term oxygenation of Earth's surface. Proceedings of the National Academy of Sciences (USA) 123, e2534056123, 1–9 (2026). https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2534056123

关键科学问题：地球氧化史是偶然事件的集合，还是存在一个可验证的一级驱动机制？

地球表层经历了古元古代大氧化事件（GOE）、新元古代大氧化事件（NOE）和古生代大氧化事件（POE），最终从几乎无氧状态演变为今天富氧且生机盎然的蓝色家园（图1）。这一转变背后的根本驱动机制是什么？这既是关乎今天宜居地球形成的根本问题，也是当前地球科学领域研究的热点和难点问题之一。围绕地球氧化史，科学家提出了多种机制假说——从主要生产者更替、火山活动兴衰，到超大陆裂解与拼合——三大氧化事件各自拥有多种独立假说。面对如此复杂的局面，研究团队跳出“为每个氧化事件各自找原因”的常规做法，转而回归到一个更本质的问题：是否存在一个一级机制可以同时解释三大氧化事件？

答案可能源自地球系统中最简单、也最本质的元素质量平衡原理——氧气的净积累 = 产氧速率（源）– 耗氧速率（汇）。有机碳和黄铁矿是地球表层最主要氧汇，它们通过埋藏作用被封存在地壳中，可以在~50–100百万年时间尺度上净释放氧气。但随着地壳翻转更新（威尔逊旋回），它们可通过风化和变质（排气）作用被重新氧化而消耗氧气；只有当它们被板块俯冲作用输送到更深的地幔并长期封存时，才能在地幔大旋回的时间尺度上（亿年到十亿年）实现大气氧的长周期净积累（图2）。

图1. 过去 40 亿年地球表面环境与地球内部过程的协同演变。（A）经典大气氧含量历史；（B）沉积物中氧化还原敏感元素的富集情况；（C）生物演化时间序列及物种数量；（D）变质温压比（T/P）及其“双峰”高斯混合模型拟合；（E）锆石丰度所指示的超级大陆循环和大火山省（LIP）侵位；（F）碳酸岩和金伯利岩的年龄频率分布。（G）海洋碳酸盐岩和金伯利岩–煌斑岩的碳同位素组成。

地球系统内–外联动：冷俯冲带如何让地表“省下”氧气？

发生在板块边缘的板块俯冲作用是地表物质进入地球深部的 “传送带”。根据俯冲带的温度/压力比值（T/P），分为冷俯冲带（T/P<375C GPa–1）和温–热俯冲带(T/P>375C GPa–1），两者命运截然不同：前者特点是低温高压，有利于地球表层有机碳和黄铁矿输送至地幔过渡带甚至更深部位，实现还原性物质的长周期或永久性封存，从而降低地表的净耗氧需求，代表性示踪矿物岩相包括蓝片岩、榴辉岩和金伯利岩等；后者特点是高温低压，有机碳和黄铁矿容易在浅部发生热分解和脱挥发分，通过岛弧火山重新返回大气-海洋系统（即，还原性物质并未真正离开地表），消耗地球表层的氧气，代表性示踪矿物岩相如麻粒岩。简言之，冷俯冲像‘深埋垃圾’，将耗氧物质长久封存；而热俯冲则像‘露天焚烧’，会快速消耗氧气。

研究团队统计了全球876个变质岩样品的T/P比值来重建俯冲带热演化史，代表了该指标已知最大的数据集合（图1）。结果显示，低T/P样品（即冷、深俯冲带）在时间上并非随机分布，而是集中出现在两个主要区间：（1）~2.2–1.8 Ga，与GOE事件大致重叠，（2）~0.8 Ga至今，尤其~0.45–0.25 Ga达到峰值，与NOE–POE相对应。而在“枯燥的十亿年”（~1.8–0.8 Ga）期间，低T/P样品比例显著降低，恰好对应了大气氧化停滞。研究团队据此提出：以三次“大氧化”事件为特征的地球表层长期的氧化可能受控于俯冲带热状态的演化——冷俯冲带的发育相当于为地表系统安装了一个“耗氧物质外排装置”，将有机碳与黄铁矿“搬运”到地球深部并长期封存，削弱了地表的耗氧需求，从而实现了氧气净积累——这为理解地球表层氧化史提供了一个全新的深部驱动框架（图2）。

图 2. 冷俯冲带示意图，展示了地球表层（大气层、海洋和生物圈）与内部（地壳、地幔和地核）之间的碳转化过程。Fsub和 Fdeg分别表示被俯冲带带入地下的碳–硫通量以及被释放出来的碳–硫通量。此图未包含硫循环，因为黄铁矿和石膏等含硫物质与有机碳和碳酸盐等含碳物质的循环路径相似。

“反常识”的建模逻辑：极简模型及反向推演

为了验证这一假设，团队在经典COPSE生物地球化学模型中引入了地幔储库，并通过冷俯冲带将大气-海洋-地壳-地幔多圈层之间碳–氧–磷–硫–氮元素耦合循环链接起来。遵循“化繁为简”的思想，团队没有将模型越做越复杂，而是主动做减法：只引入“冷俯冲相对效率（fcold）”作为唯一随时间变化的驱动参数，而将所有其他影响要素——生物量、大陆面积、造山作用、河流径流等——全部固定为现代水平，以验证冷俯冲的一级驱动作用。然后，将模型从现代稳态反向运行到40亿年前，这种控制变量的反向模拟模式，相对于常规正向模拟，可以更好地排除不确定性和多解性。

模拟结果令人惊讶：仅仅改变冷俯冲的效率，模型在不经任何“人为调节参数”的情况下，自行依次重现了POE、NOE，GOE事件，甚至疑似“Oxygen Whiffs”，最终回到太古宙的极低氧水平，并且指出“枯燥的十亿年”期间冷俯冲效率的降低可能是大气–海洋氧化整体停滞（仅有多期次、短周期氧化脉冲）的核心原因之一（图3）。不仅如此，模型同步预测出多项关键地质要素的一级趋势（图3），这些预测并非通过“调节参数”得到的刻意拟合，而是伴随氧循环自然衍生出来的，主要包括：（1）大气CO2逐步下降，并在石炭纪–二叠纪达到历史最低水平；（2）海水硫酸盐浓度从太古宙的痕量水平阶梯式上升，与基于硫同位素和质量平衡的古海洋硫酸盐重建结果吻合（注：中元古代模拟值偏高是因为模型将Ca离子浓度固定在现代水平所致）；（3）海洋有机磷与自生磷埋藏通量，新元古代–古生代出现峰值，与沉积磷含量及磷矿记录一致；（4）海洋缺氧程度在GOE期间脉冲式下降，在NOE–POE期间彻底转为氧化环境，研究同时观测到三叠纪期间的小幅度缺氧趋势，与氧化还原敏感元素重建结果基本一致——这表明，只受冷俯冲效率的一级驱动，地球表层系统就能够从现代宜居地球退回到太古代洪荒世界！

“我们致力于以最小的参数自由度，撬动最大时空尺度的地球系统。”论文第一作者和共同通讯作者石炜研究员表示，“回归质量守恒这一本质原理，锁定那个在漫长地质长河中发生系统性漂移的关键变量——这既是复杂问题的简约表达，也是第一性原理在地球系统科学中的一次实践”。

“地球表层的氧化历史不是一系列孤立‘事件’的堆砌，而可能是由深部热演化驱动的、不可逆的、系统层面的状态迁移。本研究为‘地球系统内（深部）–外（表层）联动’提供了一个从岩石记录出发，经系统模型验证的完整范例”。论文共同通讯作者李超教授总结道。

需要说明的是，该研究的理论框架完全不排斥其他短周期（<亿年）地质作用对地表氧化过程的改造和影响，例如，超大陆的裂解会增加大陆边缘长度和裂谷盆地面积，这些都是碳-硫埋藏的主要场所；深根植物的出现无疑增强了大陆风化和侵蚀作用，并促进了浊流和深海扇向海沟的沉积物输送；白垩纪以来远洋钙化生物的扩张促进了深海碳酸盐沉积、俯冲作用及脱气过程——所有这些过程都是在冷俯冲效率主导的地球内–外圈层之间碳–硫净通量基线之上，影响地表系统宜居性的短周期波动。更广泛地说，这项研究对于理解地外行星宜居性也有一定启示——似乎高氧环境和复杂生命仅能存在于具有深层封存氧汇能力（深、冷板块俯冲）的行星上。

图 3. 冷俯冲效率（fcold）逆时间驱动下，COPSE模拟结果与地质记录的对比。（A）本研究中变质 T/P 数据集计算得出的‘fcold’标准化值；（B）大气氧含量，小窗放大显示了现代至NOE的结果；（C）大气CO2含量模拟结果；（D）海水硫酸盐浓度；（E）海洋有机磷（mopb）和自生磷（capb）埋藏通量；（F）海洋缺氧程度，Y 轴上的数值 1 表示完全缺氧状态，而约 0.0025 则表示完全氧化。

该研究得到国家重点研发计划（2022YFF0800100、2023YFC2906601）、深地国家科技重大专项（2024ZD1003305）及国家自然科学基金（42425002、42473073）等项目资助。

文：杨春霞