李超（右）正在指导王海洋。受访者供图

■本报记者 杨晨

岁月失语，惟石能言。在成都理工大学，有这样一个团队，他们搜罗了上千块跨越数亿年历史的古老岩石，通过抽丝剥茧般的细致研究，让它们“开口说话”，还原地球大气氧含量的演化历程。

近日，成都理工大学教授李超团队关于地球大气氧含量演化的研究成果发表于《自然》。该团队首次以直接、连续的地质证据，揭示了地球从无氧环境演进为如今富氧状态历时20亿年，且关键转折点发生在4.1亿年前，并创新性提出，在短时间尺度上，大气与海洋的氧含量存在“此消彼长”的竞争关系。

文章从投稿到被接收，仅用了半年时间。审稿人评价该研究“提供了迄今关于大气氧含量演化的最佳指标记录，为当前大气氧化历史的认识树立了‘新标杆’”。

瞄准悬而未决的难题

旁人或许只关注研究迅速登上顶刊的光环，但只有当事人清楚，其背后是7年的坚持和求索。

2018年的秋天，在团队成员、成都理工大学沉积地质研究院研究员王海洋的记忆里尤为深刻。当时，他正准备赴美国路易斯安那州立大学进行为期一年的博士联合培养学习。李超鼓励他借这次出国的机会跳出“舒适圈”，找到一个更具突破性的研究方向，做一些“有真正价值的工作”。他们的讨论最终落在了地球科学中一个悬而未决的难题——地球大气氧含量的升起与演化问题上。

以往对此的研究大多依赖间接指标。科学家通过分析海洋沉积岩反推地质历史时期海洋的氧化状态，进而推测大气氧水平。但这类记录经历了漫长且复杂的地球化学改造，像一部被反复誊抄的古籍，难免丢失很多原始信息。

李超开始思考，能否找到一种更直接的定量方法，重建远古时期大气氧含量，捕捉来自大气且被地质载体直接记录的信号。

一项由路易斯安那州立大学教授鲍惠铭（现任职于南京大学）团队开展的研究，为追溯远古大气“配方”带来了启示。

氧原子有氧-16、氧-17和氧-18三种同位素。阳光照射下，大气中的氧气、臭氧和二氧化碳会发生光化学反应，并产生氧同位素比例变化。这一光化学反应会导致臭氧和二氧化碳具有氧-17“正异常”，而大气中剩余的氧气则相应表现出氧-17“负异常”。这就像一枚化学印章，被“盖”在大气氧气分子上。随后，携带特殊“标签”的氧气分子与陆地或水中的硫化物发生化学反应，并将“标签”贴在它们的产物硫酸盐上。这些硫酸盐结晶沉淀形成石膏、重晶石等矿物后，如同时间胶囊，将远古大气的氧-17异常完整封存。鲍惠铭团队通过提取、测量并计算石膏、重晶石等矿物中硫酸盐的氧-17负异常强度，反演地质历史时期大气二氧化碳浓度。

“该方法是否可以反演古大气氧含量？”李超提出了这个设想。他意识到，这种信号有望成为揭示古大气氧含量的直接指标。

李超当即与路易斯安那州立大学联系，看可否让王海洋到鲍惠铭的实验室系统学习并进行硫酸盐氧-17同位素的分析。

“小心求证”之旅

前人认为，大气氧分子中独特的氧-17负异常信号，能够通过氧化陆地上的黄铁矿，转化为如白霜般的硫酸盐，并随河流进入海洋。然而，这些硫酸盐与海水中的氧原子发生交换时，其携带的氧-17负异常信号很快就会被彻底“抹掉”。

“但远古海洋的水体多为‘分层停滞’，洋流活动远不如今天这般活跃。”李超假设，倘若恰逢大规模陆地风化，巨量携带“指纹”的硫酸盐在短时间内汹涌入海，在还来不及与周围海水交换、混合、被“抹掉”时，或许就被浅海区广泛且正快速沉淀的碳酸盐矿物“捕获”。也就是说，经“类质同象替代”这一化学过程，带有氧-17负异常信号的硫酸根离子瞬间卷入正结晶的碳酸盐晶格中“锁死”，最终固结成岩并被保存下来。

“这是一个大概率事件。”李超坚信，在漫长的地质时间尺度上，广阔的古海洋范围内，总会有一些地点在持续、有效地“录制”着当时的大气信息。

为此，远在路易斯安那州立大学实验室里的王海洋开启了“小心求证”之旅。

由于新元古代晚期（约6亿年前至5亿年前）是地质历史上公认的海洋氧化事件发生阶段，因此可以选择该时期的岩石“开刀”。

王海洋选择从岩石中弥散状重晶石入手。重晶石是硫酸根离子构成的矿物，前人利用它已在古代硫循环和海洋化学研究方面取得成果，摸索出了成熟、可靠的实验方法。然而，实验结果并不理想。王海洋和李超意识到，弥散状重晶石的成因环境复杂，未必能够记录到大气氧的这些特殊信号。

于是，王海洋的研究对象转向了李超提出的沉积碳酸盐晶格“捕获”的硫酸盐，即“碳酸盐结合态硫酸盐”。

实验进行时，恰好碰上新冠疫情，王海洋所在大学实验室被管控。后来，实验室作为单一密闭空间最多允许1至2人戴口罩工作。王海洋打申请报告，争取到了每天进入实验室的机会。但重晶石测试已耗费了半年时间，他结束访学已进入倒计时。雪上加霜的是，关键碳酸盐矿物样品短缺。

好在王海洋得到了国内同门的大力帮助。一批采集自华南地区、可满足实验需求的岩石样本从武汉寄出。在全球物流几近停摆的情况下，一个方便面箱大小、装满石头的包裹漂洋过海，寄到王海洋手中。

尽管初期测试屡屡受挫，但怀着“至少做完所有样品”的念头，王海洋坚持了下来。数月后，当关键样品的氧-17同位素数据陆续展示出清晰的氧-17负异常信号时，王海洋心中百感交集。

亿年前的氧分子终于“开口说话”，猜想被证实。

从“快照”到连续“电影”

但这只是一个开端，研究团队需进一步证明这一发现的普遍性。

“大气具有全球性。”李超解释，土壤与地貌会因地域不同而呈现巨大差异，但大气成分在全球范围内基本一致。“既然6亿年前华南的岩石能捕捉到这一氧气信号，那么在同期或不同期、地质背景相似的其他地区的岩石中，理应也能找到类似记录。”

于是，他们数年间陆续收集了千余份样品。其中，有的来自我国各地，有的则借由国际合作，取自澳大利亚、美国与英国同行的储备库。

部分国内样品是团队成员野外采集的成果。每年6到8月，他们都会冒着酷暑深入山区或无人区考察采样。

在广袤大地上，如何精准定位研究所需的形成于数亿年前的岩石？

王海洋介绍，全国地质大调查已系统厘清了我国各地区沉积岩的年龄与分布，建立了翔实的数据库，研究人员可直接按目标年代查询定位。

对全球多地跨时代样品的分析为研究提供了更为可信的数据支撑。与多硫同位素等指标进行融合分析后，团队解读了岩石中所记录的直接的大气氧信号，从而首次构建出一个覆盖40亿年的地球氧化史完整框架。

李超打了一个生动的比方：过去，研究者依赖稀有的蒸发岩，只能得到历史上地球大气“配方”几张零星的“快照”，虽然清晰，却无法连贯。而现在，利用广泛分布的碳酸盐岩，研究者首次获得了一套连续、高精度的“地质胶片”，从而有能力制作出地球氧含量演化的连续“电影”。

在这部“电影”中，团队精准揭示从24亿年前至4.1亿年前，地球表层长达20亿年的过渡性氧化历程。一个重要发现是，在百万年时间尺度上，大气和海洋的氧含量存在着“此消彼长”的竞争关系。

这一结论的得出，得益于团队从碳酸盐岩中找到的3位“证人”——氧-17异常、硫同位素和碳同位素。他们将同一岩石中这3个指标构成了一个“三元一次方程组”，通过建立定量模型进行“联立求解”，反推出了规律。

“就像在粮食有限时，家里老大吃饱，老二就要挨饿。”李超说，当地球因构造运动导致大量新岩石暴露时，强烈的风化作用会急剧消耗大气中的氧气，并将这些氧汇入大海。因此，海洋氧化了，但大气中的氧气含量却下降了。

但从数亿年时间尺度上看，老大、老二的“生活水平”在共同提升。那地球是何时成功“脱贫”，步入氧气“小康”社会，让老大、老二都“吃饱”的呢？

依据碳酸盐结合态硫酸盐氧-17异常记录，团队首次明确，地球大气氧含量在4.1亿年前持久性地达到现代水平，即攀升至接近21%。

富氧环境的形成，促进了地球复杂生命的繁育。

在破解“大气与海洋氧气此消彼长”这一谜题的过程中，李超团队意外发现，早期地球海洋中可能存在一个巨量的溶解有机碳库。这一偶然发现，或许能为今天在深层、超深层地层中寻找油气资源提供全新思路。

“我们希望借此实现深层油气资源勘查领域‘从0到1’的突破。”李超说，在原始创新上取得突破，将基础研究与国家在能源领域的重大需求真正结合起来，是他一直想走通的路。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09471-4