과학: 초기 대기 산화 조절에서 해양 철 흡수원의 역할 - 세 가지 철 동위원소의 한계
철은 지구상에서 가장 풍부한 금속 원소 중 하나이며 다른 금속 원소와 비교됩니다. 원소는 산화환원 민감도가 높기 때문에 퇴적물의 철 성분은 지구의 역사에서 대기, 해양 및 육지의 산화 상태와 변환 과정을 정확하게 기록할 수 있습니다(Raiswell and Canfield, 2012). 우리 모두 알고 있듯이 지구 표면의 산화 역사는 고생대 산화 사건(GOE), 신원생대 산화 사건(NOE), 고생대 산화의 3단계 개선을 거쳐 현재의 산소 수준에 도달한 매우 복잡한 과정입니다. 이벤트(Lyons et al., 2014). 초기 대기 산소 함량의 첫 번째 주요 증가 동안, 다량의 황화철(예: 황철석)과 산화철(Fe 3+의 수산화물)이 퇴적되었으며, 전자는 흑색 셰일 층에서 주로 발견되었으며, 후자는 실리콘과 결합되었습니다. 거대한 철 구조물을 형성합니다.
이 두 가지 주요 철 매장지의 철 동위원소에 대한 이전 연구는 수행되었으며(Dauphas et al., 2017), 결과에 따르면 GOE 이전에 퇴적된 황철석의 56 Fe/54 Fe 비율은 -3.5‰(지구상의 대부분의 암석에 비해)까지(Rouxel et al., 2005), 이러한 분류 정도는 GOE 이후 암석 기록에서는 거의 볼 수 없습니다(그림 1A). 현재 GOE 이전에 퇴적된 황철석의 특히 가벼운 철 동위원소 구성에 대해 세 가지 설명이 있습니다. (1) 광범위한 Fe 3+ -수산화물 형성으로 인해 잔류 해양에 용해된 Fe 2+가 가벼운 동위원소가 풍부해질 수 있습니다. 2) 미생물 분해의 Fe 3+ 환원(DIR)은 가벼운 동위원소를 가진 Fe 2+ 를 물에 우선적으로 방출합니다. (3) 황철석의 부분 침전 과정에 수반되는 운동학적 분별 효과는 가벼운 동위원소를 가진 황철석을 생성합니다. 이 세 가지 기능 중 어느 기능이 핵심 역할을 하는지는 끝없이 논의되어 왔으며 GOE 이전에 해양 철 순환에 대한 이해에 직접적인 영향을 미쳤습니다. 더 중요한 것은 산화철의 퇴적은 O 2 의 손실인 반면, 황철석의 매립은 대기 중 O 2 함량의 상대적 증가를 의미합니다. 따라서 지구의 초기 고대 해양에서 철의 운명은 약 23억 2천만년 전에 발생한 대산화사건(GOE)과 철 순환의 변화에 대한 우리의 이해에 직접적인 영향을 미칩니다.
이와 관련하여 시카고 대학의 Andy Heard와 다른 연구진은 초기 퇴적 황철석의 철 동위원소 기원을 제한하기 위해 혁신적으로 삼철 동위원소 분석을 사용했습니다(Heard et al., 2020). 그들은 먼저 GOE 사이의 철 빌딩 블록의 3철 동위원소 구성을 분석하고 물질 수지 선을 따른다고 믿었습니다(그림 1B). 이러한 철층은 GOE 이전에 해양에서 Fe 3+ -수산화물 강수량을 기록하기 때문에 철 산화가 해양의 Fe 2+ 동위원소 조성에 미치는 영향을 다양한 정도로 반영할 수 있습니다. 이어서, FeS-H 2 S 용액으로부터 황철석을 합성하는 실험실 실험을 통해 생성된 황철석의 δ' 56 Fe 값(참고: δ'xx Fe=1000ln[(xx Fe/ 54 Fe) 샘플/xx)을 발견했습니다. Fe/ 54 Fe) 표준], 표준은 IRMM-014이고 Δδ' xx Fe 값은 물리적, 화학적 또는 생물학적 과정 중 δ' xx Fe 값의 변화를 나타냄)는 초기 FeS 동위원소보다 1만큼 가볍습니다. ~ -2.4‰ 로, 황철석 형성 과정에서 발생하는 운동학적 분류를 반영하는 것으로 생각되어 동위원소 운동학적 분류선이 결정되었습니다(그림 1B). 두 선은 분명히 다르며 퇴적 황철석의 철 동위원소 구성에 영향을 미칠 수 있는 두 가지 다른 메커니즘을 나타냅니다. 마지막으로 그들은 GOE(후기 시생대부터 고생대, 2.66~2.32 Ga) 이전의 퇴적 황철석과 흑색 셰일을 측정한 결과 샘플의 3철 동위원소 데이터가 위에서 언급한 두 선 사이에 있음을 발견했습니다. 이러한 동위원소 조성은 황철석 형성이 초기 해양 철 산화와 잔류 해양에서 황철석 침전 동안 수반되는 운동학적 분류를 모두 필요로 함을 나타냅니다.
Rayleigh 분류에 기초하여 Heard 등은 두 효과의 비율을 추가로 제한하여(그림 2) 퇴적 황철석의 음의 δ' 56 Fe 값 형성 과정을 설명했습니다. Fe 2+는 주로 열수유체에서 나오며, 그 δ' 56 Fe 값은 0 ‰에 가깝습니다. 하부 해수가 표면 산화수로 상승하면 산화가 일어나며, Fe 2+의 일부가 산화되어 Fe 3를 형성합니다. + -수산화물. 부분 산화로 인해 형성된 산화된 침전물은 일반적으로 양의 δ'56 Fe 값을 가지며, 잔류 해양은 가벼운 Fe 2+ 값으로 농축됩니다. 해양은 황과 결합하여 황철석 침전이 형성되고, 이는 운동학적 분별 메커니즘을 수반하여 잔류 해양보다 삼철 동위원소 조성이 낮은 황철석을 생성합니다.
해양에서 Fe 2+의 산화에는 유리 산소가 필요하고 황철석의 매장은 유기물을 소비하고 간접적으로 유리 산소를 방출할 수 있으므로, 바다에서 철을 침전시키는 가장 중요한 두 가지 방법 중 하나입니다. 지구의 초기 해양은 이들 사이의 균형 잡힌 관계가 지역 수질 환경의 O 2 축적에 직접적인 영향을 미치게 됩니다. 이를 바탕으로 Heard 등은 관련 반응과 둘 사이의 비례 관계를 기반으로 다양한 H 2 S/SO 2 비율에서 O 2 생산량을 계산했습니다(그림 3). 철 광석 매장에 의해 간접적으로 생성된 O의 양은 2Fe 2+ 산화에 의해 완전히 소비되기에는 충분하지 않습니다. 두 가지 유형의 철 강수 비율의 작은 변화로 인해 GOE 이전에 해양에 국부적으로 자유 산소가 존재하게 되었을 수 있다고 추측됩니다.
그림 3 철 흡수원의 산화철(Fox)과 황철석(Fpy)의 비율과 O 2 생산량 추정치. 그림 2의 곡선에 따르면 몬테카를로 방법은 서로 다른 기간에 해양에서 두 가지 퇴적 형태의 비율을 시뮬레이션하고 얻는 데 사용됩니다. 검은색은 황화철을 나타내고 회색은 산화철을 나타냅니다. O 2 생산량은 화산 폭발 가스 내 H 2 S/SO 2 의 다양한 투입 비율을 기반으로 추정됩니다. 파란색 실선 상자는 입력 비율 1을 나타내고 파란색 열린 상자는 입력 비율 0을 나타냅니다. 파란색 실선과 음영 영역은 H 2 S/SO 2 투입 비율이 1인 조건에서의 평균 O2 몰 생산량을 나타내고, 파란색 점선과 음영 영역은 H 2 S/SO 2 투입 비율이 1인 조건에서의 O2 몰 생산량을 나타냅니다. 비율은 0이다
이 연구는 지구 초기 해양에 퇴적된 황철석의 기원을 어느 정도 해결했다는 점에서 큰 의미가 있지만, 아직 논의해야 할 문제가 많이 남아 있다. 예를 들어, 초기 퇴적된 황철석의 기원은 부분적으로 속생작용일 수 있습니다. 이러한 방식으로 형성된 황철석의 철 동위원소 조성은 국지적 수질 환경(공극 포함)의 철 조성보다는 간극수의 Fe 2+를 반영합니다. 물) 동위원소 구성은 DIR 효과에 의해 영향을 받을 수도 있지만(Severmann et al., 2008), 이 방법은 이 메커니즘을 배제할 수 없습니다. 철 동위원소의 질량 수지 선은 Mn이 풍부한 철 구성 데이터에 의해 제한되며 실제로 GOE 철 구조에는 망간이 거의 풍부하지 않습니다. 철 구조의 망간 대부분이 탄산철 상태에서 발생한다는 점을 고려하면 철 동위원소 조성은 DIR과 초기 철 산화가 결합된 결과일 가능성이 높습니다(Johnson et al., 2008). ; 연구에 참여하기 전의 표본 크기는 매우 제한되어 있으며 충분히 대표성이 없을 수 있습니다. 본 연구의 또 다른 하이라이트는 철 침전 방법의 변화가 대기 산화를 일으킬 수 있다는 믿음이지만, 첫째, 철 침전 방법은 이 두 가지 방법뿐만 아니라 자체 생성 철 함유 방법과 같은 다른 방법에도 있습니다. 규산.염 및 탄산염 광물이 침전됩니다. 둘째, 산소의 축적은 결국 대기에 유입될 수 있는지 여부에 따라 달라지며 최종적으로 철이 산화되는 방식은 다양합니다. 산소의 자유 산화(Konhauser et al., 2017)뿐만 아니라 다른 비호기성 방법이 지배적이라면 Heard et al.의 Science 기사의 결론과 중요성이 크게 손상될 것입니다. 또한, GOE 이전, 특히 시생대의 전반적인 환원환경에서는 산소를 생산하는 광합성보다는 해양의 생산성에 결정적인 역할을 한 것이 혐기성 광합성 유기체였다는 점에 주목해야 한다.
감사의 말: 이 기사를 수정하는 데 귀중한 제안을 해주신 Chu Xuelei 연구원에게 감사드립니다.
주요 참고문헌
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교정: Zhang Song