随着氧气水平首次上升，大量微生物物质被埋藏在海底之下。这种埋藏将碳困在岩石中，并留下了一种不寻常的同位素特征。几十年来，许多科学家将这一特征解释为地球碳循环在全球范围内发生严重失衡的证据。
来自早期地球的著名信号
支持这一解释的证据来自从俄罗斯卡累利阿和加蓬弗朗斯维尔盆地的古代海洋沉积物中提取的岩心——从地下深处拔出的固体岩石长柱。然而，由加州理工学院研究人员领导的一项新研究对俄罗斯的证据是否真正记录了一次行星级别的事件提出了质疑。
“一个主要的争论集中在一个不寻常的碳同位素信号上，该信号通常被解释为全球环境变化的证据，”加州理工学院高级科学研究人员Nivedita Thiagarajan（12年博士）说，她在John Eiler的实验室工作，John Eiler是地质学和地球化学Robert P. Sharp讲席教授，以及地质与行星科学部Ted和Ginger Jenkins领导力讲席教授。“我们研究了俄罗斯卡累利阿Zaonega组岩石微观孔隙中封存的气体，这是世界上已知最古老的化石油田之一，并发现这一关键地点的碳同位素信号可以用发生在一个几百平方公里的沉积盆地中的局部现象来解释，而不是整个全球。”
Thiagarajan是最近发表在《地质学》（Geology）上的一篇论文的第一作者。该研究描述了研究人员如何重建卡累利阿岩石中保存的大气氧气首次大幅增加后的变化序列。
碳同位素——该元素较重或较轻的形式——提供了关于数十亿年前积累的生物物质起源的信息。通过测量岩心中的这些同位素的相对含量（或碳同位素信号），研究人员可以建立古代环境变化的记录，有点像读取树木的年轮。
在Zaonega组和加蓬岩石中发现的一种不寻常的碳信号被称为Shunga-Francevillian事件。科学家们经常将其作为地球在约20亿年前经历了一次重大的全球碳循环破坏的证据。
“在氧气出现在大气中的那个时间段，地球在某种程度上发疯了。我们试图评估的是地球氧化的原因和后果，”位于特隆赫姆的挪威地质调查局（NGU）研究员、该研究的合著者Aivo Lepland解释道。“这些信息被归档在岩石中，因此，为了研究发生了什么，你必须研究岩石。”
封存了20亿年的气体
为了从另一个角度考察Shunga-Francevillian事件，研究人员分析了存储在NGU的岩心。他们重点关注了富含焦沥青的Zaonega组样品中微观流体包裹体内封存的气体。
Zaonega组曾经是海洋沉积盆地的一部分。焦沥青是一种不溶形式的有机碳，当被埋藏的原油或干酪根——天然气的来源物质——在地下深处受到强烈加热时就会形成。
该项目在Lepland来到加州理工学院进行学术休假后成型。他带来了一套新的来自Zaonega岩石中封存气体的同位素测量数据，这些数据尚未得到充分解释。
与此同时，Thiagarajan和Eiler最近完成了测量天然气中同位素比率的研究。这项工作帮助他们建立了一个更广泛的框架来理解天然气是如何形成的。
当研究人员结合这两套专业知识和数据时，对古代同位素特征的另一种解释开始浮现。
岩浆、甲烷与微生物
该团队提出，一片岩浆强行穿过Zaonega组的海洋沉积层，而当时该组位于史前海洋之下。岩浆的热量加热了富含有机物质的沉积物。
这种加热产生了包括甲烷和丙烷在内的碳氢化合物。然后，这些气体向上穿过沉积物，最终到达生活在海底附近消耗甲烷的微生物。
这些微生物产生了带有轻碳同位素特征的生物量，这可能解释了保存在岩石中的不寻常信号。
温度证据支持了这一情景。研究人员确定了一个巨大的温度梯度，岩浆侵入体旁边的温度达到约350摄氏度，而在高出约300米的古代海底沥青溢出处温度降至约72摄氏度。
“这一地质和生物过程链可以解释在Zaonega组记录的不寻常碳同位素信号，”Thiagarajan说。“有趣的是，我们在现代油气盆地中观察到的一些相同特征也存在于20亿年前的样本中并被保存下来。”
研究人员强调，他们不能完全排除其他过程的贡献。即便如此，他们的结果表明，保存在Zaonega的碳同位素异常主要是由局部沉积盆地内的事件驱动的，而不是由全球扰动驱动的。
“因为Zaonega是Shunga-Francevillian事件的参考地点，我们的发现提出了一个重要问题，即它是否应该被视为一个全球性事件，”Thiagarajan说。
在加蓬检验该理论
下一步将是确定相同的解释是否能够说明在加蓬发现的类似同位素信号。
研究人员计划分析通过由国际大陆科学钻探计划共同资助的GOE-DEEP项目收集的样本。目标是测试在俄罗斯发现的局部地质和生物过程是否也塑造了加蓬的岩石记录。
2025年夏天，Lepland在加蓬花了四个月的时间协调钻探活动。新提取的岩心于2月抵达NGU，计划今年晚些时候由代表18个国家的国际研究团队进行采样。
“现在我们可以通过对加蓬岩石进行类似的研究来真正将事情拼凑起来，以比较这两个地点，”Lepland说。“这就是科学前进的方式。”
发表在《地质学》（Geology）上的论文题为《古元古代热成因碳氢化合物的生成：俄罗斯Zaonega组》（Paleoproterozoic thermogenic hydrocarbon generation, Zaonega Formation, Russia）。该研究的其他作者是德国天然同位素分析实验室Hydroisotop GmbH的Florian Eichinger和苏格兰圣安德鲁斯大学的Anthony Prave。