10 Nov, 2019, 09:53 PM
Regulación biológica de la química atmosférica en el camino hacia la oxigenación planetaria
Resumen
La evidencia emergente sugiere que el oxígeno atmosférico puede haber variado antes de aumentar de manera irreversible hace ~ 2.400 millones de años, durante el Gran Evento de Oxidación (GOE). Sin embargo, recientemente se han sugerido aberraciones atmosféricas previas al GOE hacia condiciones más reductoras, que presentan una neblina orgánica derivada del metano, pero su ocurrencia, causas y significado siguen sin explorar. Para examinar el papel de la formación de neblina en la historia de la Tierra, apuntamos a un episodio de desarrollo inferido de neblina. Nuestro registro de isótopos de carbono y azufre controlados por redox (especiación de Fe) revela una covarianza estratigráfica sistemática sostenida, lo que impide explicaciones no atmosféricas. Los modelos fotoquímicos corroboran esta inferencia, mostrando Δ 36 S / Δ 33Las relaciones S son sensibles a la presencia de turbidez. Explotando las restricciones de edad existentes, estimamos que la neblina orgánica se desarrolló rápidamente, estabilizándose dentro de ∼0.3 ± 0.1 millones de años (Myr), y persistió durante más de ∼1.4 ± 0.4 Myr. Dadas estas restricciones temporales, y las elevadas concentraciones atmosféricas de CO 2 en el Archean, los flujos sostenidos de metano necesarios para la formación de turbidez solo pueden conciliarse con una fuente biológica. Correlativo δ 13 C Orgy las mediciones de carbono orgánico total respaldan la interpretación de que la turbidez atmosférica fue una respuesta transitoria de la biosfera a una mayor disponibilidad de nutrientes, con flujos de metano controlados por la disponibilidad relativa de carbono orgánico y sulfato. Las concentraciones elevadas de metano atmosférico durante los episodios de turbidez habrían acelerado la pérdida de hidrógeno planetario, con un solo episodio de desarrollo de turbidez que proporciona hasta 2.6–18 × 10 18 moles de equivalentes de O 2 al sistema de la Tierra. Nuestros hallazgos sugieren que el Neoarqueano probablemente representaba un estado único del sistema de la Tierra donde el desarrollo de turbidez desempeñaba un papel fundamental en la oxidación planetaria, acelerando las contingentes innovaciones biológicas que siguieron.
fraccionamiento independiente de la masa de azufre
bruma orgánica
oxidación planetaria
pérdida de hidrógeno
Neoarqueano
El fraccionamiento cuádruple de isótopos de azufre es una de las herramientas geoquímicas más robustas disponibles para restringir el estado redox de la atmósfera, debido a los enlaces intrínsecos entre la fotoquímica atmosférica y el oxígeno ( 1 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ - 11 ). Antes de hace billion2.4 mil millones de años ( 5 , 6 ), las fases S sedimentarias muestran un fraccionamiento de isótopos S independientes de la masa (S-MIF; Δ 33 S y Δ 36 S ≠ 0), * que está notablemente ausente en los geólogos más jóvenes. registro ( 5 ⇓ - 7 , 11) La desaparición de S-MIF se cita ampliamente como reflejo de un cambio crítico en el estado atmosférico de la Tierra, donde el oxígeno excedió el 0.001% de los niveles atmosféricos actuales ( 3 ) durante el llamado Gran Evento de Oxidación (GOE; 4 ⇓ - 6 , 12 ) . Más recientemente, sin embargo, la percepción del GOE sensu stricto ha sido cuestionada por datos emergentes derivados de rocas sedimentarias de hace 3.0–2.5 mil millones de años, interpretadas para representar ambas acumulaciones anteriores de oxígeno / ozono atmosférico ( 13 ⇓ ⇓ - 16 ) así como descensos transitorios hacia un estado atmosférico reducido rico en metano ( 8 , 9 ,17 , 18 ).
La interrogación del registro temporal S-MIF revela detalles adicionales (magnitud variable y cambios en la pendiente Δ 36 S / Δ 33 S) que se sugieren para reflejar cambios sutiles en la composición atmosférica más allá de la simple presencia o ausencia de oxígeno ( 6 ⇓ ⇓ ⇓ - 10 , 12 , 17 , 19 ⇓ - 21 ). Específicamente, los registros geoquímicos de múltiples continentes revelan una amplia correlación entre los cambios en el registro S-MIF y las 13 anomalías CS altamente denominadas de carbono orgánico empobrecido en C ( 8), Que han sido interpretado para reflejar la formación periódica de una neblina de hidrocarburos que recuerda a la observada en la luna de Saturno Titan ( 8 ⇓ - 10 ). Aunque estos registros se han utilizado para pintar una imagen intrigante de la dinámica atmosférica neoarqueana en el preludio del GOE ( 8 , 9 ), le espera una evaluación crítica de la hipótesis de neblina neoarqueana ( 22 ). Presentamos registros cuádruples de azufre y carbono, isótopo de carbono, especiación de Fe y carbono orgánico total (TOC) de alta resolución ( Fig. 1 ) de la más joven de las tres anomalías CS identificadas en el núcleo GKF01, obtenidas de Griqualand West Basin , Sudáfrica ( Fig. 1 A ,Fig. S1 , Marco geológico y modelo de edad , Conjunto de datos S1 y referencias. 9 , 15 , 23 y 24 ), lo que resulta en el estudio estratigráfico de resolución temporal más alto hasta ahora realizado en el Archean. Críticos para probar la hipótesis de la turbidez, nuestros registros geoquímicos revelan el tiempo y la estructura de una anomalía CS, que cuando se combina con un modelo fotoquímico actualizado demuestra una conexión entre los cambios en las relaciones Δ 36 S / Δ 33 S y la bruma atmosférica. Después de esto, especulamos sobre el papel más amplio de la formación de turbidez episódica en la oxidación planetaria.
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Figura 1.
Datos litológicos y geoquímicos preexistentes del núcleo GKF01 ( 9 ) combinados con nuevos datos geoquímicos de alta resolución. ( A ) La baja resolución publicada GKF01 Δ 36 S / Δ 33 registro S ( 9 ), la matriz de referencia era neoarcaica (línea roja), y su envoltura ± 0,1 incertidumbre (banda vertical gris; Ref. 8 ). ( B ) Los nuevos datos (cuadrados) δ 34 S, Δ 36 S / Δ 33 S, δ 13 C, TOC y Fe-especiación (Fe HR / Fe T , Fe Py / Fe HR ) junto con los datos publicados (rellenos círculos;. refs 9, 15 y 24 ). La banda gris horizontal significa la anomalía CS (discutida en el texto). La línea roja vertical y la envoltura gris en el gráfico Δ 36 S / Δ 33 S representan la matriz de referencia neoarqueana y su incertidumbre asociada (± 0.1; ref. 8 ). Las líneas verticales en las parcelas de especiación de Fe distinguen las condiciones de la columna de agua oxic de anóxico (Fe HR / Fe T ≥ 0.38) y ferruginoso de las condiciones de columna de agua definitivamente euxínico (Fe Py / Fe HR > 0.7). Los símbolos abiertos en el gráfico Fe HR / Fe Py tienen Fe HR / Fe T <0.22, lo que significa sedimentación oxica (9 , 15 , 67 ). Al asimilar estas observaciones, la sedimentación durante el intervalo examinado fue probablemente dinámica, con un estado de fondo generalmente ferruginoso (Fe HR / Fe T > 0.38; Fe Py / Fe HR <0.7), oxigenado durante la anomalía CS (Fe HR / Fe T < 0,22; Ref. 15 ). La definición de Fe HR , Fe Py y Fe T se da como una nota al pie del texto en Restringir el tiempo y los impulsores de la formación de turbidez atmosférica , mientras que la derivación de los valores de umbral de diagnóstico de especiación de Fe se da enMetodología , Especiación de Fe Sedimentaria . Las incertidumbres analíticas (1 SD, 1σ) generalmente se abarcan dentro de cada punto de datos individual con la excepción de algunas relaciones Δ 36 S / Δ 33 S cuya incertidumbre se calculó a partir de las incertidumbres 1σ internas o externas más grandes asociadas con el Δ 33 S sinprocesary Δ 36 S datos ( 9 ). El registro litológico a gran escala ( A ) sigue el presentado en Zerkle et al. ( 9 ), mientras que los nuevos datos ( B ) se trazan contra los registros sedimentarios detallados, que junto con las fotos principales están disponibles en línea ( general.uj.ac.za/agouron/index.aspx )
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Fig. S1.
Mapa geológico del Supergrupo Transvaal conservado en el Kaapvaal Craton con un inserto geográfico, modificado a partir de las referencias. 53 y 68 . La posición de los núcleos donde la covarianza Δ 36 S / Δ 33 S – δ 13 C se ha informado previamente (núcleo GKF01, ref. 9 ; núcleo BH1-Sacha, ref. 8 ) se indica mediante estrellas etiquetadas. Además, también se proporciona el núcleo adicional de Agouron (GKP01) que discutimos a continuación en términos de restricciones cronológicas. Las facies de meseta de Ghaap en aguas poco profundas están separadas de sus equivalentes en aguas profundas por la falla en Griquatown (GFZ; refs. 37 y 53), de ahí la diferente nomenclatura estratigráfica entre Zerkle et al. ( 9 ) e Izon et al. ( 8 )
Resumen
La evidencia emergente sugiere que el oxígeno atmosférico puede haber variado antes de aumentar de manera irreversible hace ~ 2.400 millones de años, durante el Gran Evento de Oxidación (GOE). Sin embargo, recientemente se han sugerido aberraciones atmosféricas previas al GOE hacia condiciones más reductoras, que presentan una neblina orgánica derivada del metano, pero su ocurrencia, causas y significado siguen sin explorar. Para examinar el papel de la formación de neblina en la historia de la Tierra, apuntamos a un episodio de desarrollo inferido de neblina. Nuestro registro de isótopos de carbono y azufre controlados por redox (especiación de Fe) revela una covarianza estratigráfica sistemática sostenida, lo que impide explicaciones no atmosféricas. Los modelos fotoquímicos corroboran esta inferencia, mostrando Δ 36 S / Δ 33Las relaciones S son sensibles a la presencia de turbidez. Explotando las restricciones de edad existentes, estimamos que la neblina orgánica se desarrolló rápidamente, estabilizándose dentro de ∼0.3 ± 0.1 millones de años (Myr), y persistió durante más de ∼1.4 ± 0.4 Myr. Dadas estas restricciones temporales, y las elevadas concentraciones atmosféricas de CO 2 en el Archean, los flujos sostenidos de metano necesarios para la formación de turbidez solo pueden conciliarse con una fuente biológica. Correlativo δ 13 C Orgy las mediciones de carbono orgánico total respaldan la interpretación de que la turbidez atmosférica fue una respuesta transitoria de la biosfera a una mayor disponibilidad de nutrientes, con flujos de metano controlados por la disponibilidad relativa de carbono orgánico y sulfato. Las concentraciones elevadas de metano atmosférico durante los episodios de turbidez habrían acelerado la pérdida de hidrógeno planetario, con un solo episodio de desarrollo de turbidez que proporciona hasta 2.6–18 × 10 18 moles de equivalentes de O 2 al sistema de la Tierra. Nuestros hallazgos sugieren que el Neoarqueano probablemente representaba un estado único del sistema de la Tierra donde el desarrollo de turbidez desempeñaba un papel fundamental en la oxidación planetaria, acelerando las contingentes innovaciones biológicas que siguieron.
fraccionamiento independiente de la masa de azufre
bruma orgánica
oxidación planetaria
pérdida de hidrógeno
Neoarqueano
El fraccionamiento cuádruple de isótopos de azufre es una de las herramientas geoquímicas más robustas disponibles para restringir el estado redox de la atmósfera, debido a los enlaces intrínsecos entre la fotoquímica atmosférica y el oxígeno ( 1 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ - 11 ). Antes de hace billion2.4 mil millones de años ( 5 , 6 ), las fases S sedimentarias muestran un fraccionamiento de isótopos S independientes de la masa (S-MIF; Δ 33 S y Δ 36 S ≠ 0), * que está notablemente ausente en los geólogos más jóvenes. registro ( 5 ⇓ - 7 , 11) La desaparición de S-MIF se cita ampliamente como reflejo de un cambio crítico en el estado atmosférico de la Tierra, donde el oxígeno excedió el 0.001% de los niveles atmosféricos actuales ( 3 ) durante el llamado Gran Evento de Oxidación (GOE; 4 ⇓ - 6 , 12 ) . Más recientemente, sin embargo, la percepción del GOE sensu stricto ha sido cuestionada por datos emergentes derivados de rocas sedimentarias de hace 3.0–2.5 mil millones de años, interpretadas para representar ambas acumulaciones anteriores de oxígeno / ozono atmosférico ( 13 ⇓ ⇓ - 16 ) así como descensos transitorios hacia un estado atmosférico reducido rico en metano ( 8 , 9 ,17 , 18 ).
La interrogación del registro temporal S-MIF revela detalles adicionales (magnitud variable y cambios en la pendiente Δ 36 S / Δ 33 S) que se sugieren para reflejar cambios sutiles en la composición atmosférica más allá de la simple presencia o ausencia de oxígeno ( 6 ⇓ ⇓ ⇓ - 10 , 12 , 17 , 19 ⇓ - 21 ). Específicamente, los registros geoquímicos de múltiples continentes revelan una amplia correlación entre los cambios en el registro S-MIF y las 13 anomalías CS altamente denominadas de carbono orgánico empobrecido en C ( 8), Que han sido interpretado para reflejar la formación periódica de una neblina de hidrocarburos que recuerda a la observada en la luna de Saturno Titan ( 8 ⇓ - 10 ). Aunque estos registros se han utilizado para pintar una imagen intrigante de la dinámica atmosférica neoarqueana en el preludio del GOE ( 8 , 9 ), le espera una evaluación crítica de la hipótesis de neblina neoarqueana ( 22 ). Presentamos registros cuádruples de azufre y carbono, isótopo de carbono, especiación de Fe y carbono orgánico total (TOC) de alta resolución ( Fig. 1 ) de la más joven de las tres anomalías CS identificadas en el núcleo GKF01, obtenidas de Griqualand West Basin , Sudáfrica ( Fig. 1 A ,Fig. S1 , Marco geológico y modelo de edad , Conjunto de datos S1 y referencias. 9 , 15 , 23 y 24 ), lo que resulta en el estudio estratigráfico de resolución temporal más alto hasta ahora realizado en el Archean. Críticos para probar la hipótesis de la turbidez, nuestros registros geoquímicos revelan el tiempo y la estructura de una anomalía CS, que cuando se combina con un modelo fotoquímico actualizado demuestra una conexión entre los cambios en las relaciones Δ 36 S / Δ 33 S y la bruma atmosférica. Después de esto, especulamos sobre el papel más amplio de la formación de turbidez episódica en la oxidación planetaria.
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Figura 1.
Datos litológicos y geoquímicos preexistentes del núcleo GKF01 ( 9 ) combinados con nuevos datos geoquímicos de alta resolución. ( A ) La baja resolución publicada GKF01 Δ 36 S / Δ 33 registro S ( 9 ), la matriz de referencia era neoarcaica (línea roja), y su envoltura ± 0,1 incertidumbre (banda vertical gris; Ref. 8 ). ( B ) Los nuevos datos (cuadrados) δ 34 S, Δ 36 S / Δ 33 S, δ 13 C, TOC y Fe-especiación (Fe HR / Fe T , Fe Py / Fe HR ) junto con los datos publicados (rellenos círculos;. refs 9, 15 y 24 ). La banda gris horizontal significa la anomalía CS (discutida en el texto). La línea roja vertical y la envoltura gris en el gráfico Δ 36 S / Δ 33 S representan la matriz de referencia neoarqueana y su incertidumbre asociada (± 0.1; ref. 8 ). Las líneas verticales en las parcelas de especiación de Fe distinguen las condiciones de la columna de agua oxic de anóxico (Fe HR / Fe T ≥ 0.38) y ferruginoso de las condiciones de columna de agua definitivamente euxínico (Fe Py / Fe HR > 0.7). Los símbolos abiertos en el gráfico Fe HR / Fe Py tienen Fe HR / Fe T <0.22, lo que significa sedimentación oxica (9 , 15 , 67 ). Al asimilar estas observaciones, la sedimentación durante el intervalo examinado fue probablemente dinámica, con un estado de fondo generalmente ferruginoso (Fe HR / Fe T > 0.38; Fe Py / Fe HR <0.7), oxigenado durante la anomalía CS (Fe HR / Fe T < 0,22; Ref. 15 ). La definición de Fe HR , Fe Py y Fe T se da como una nota al pie del texto en Restringir el tiempo y los impulsores de la formación de turbidez atmosférica , mientras que la derivación de los valores de umbral de diagnóstico de especiación de Fe se da enMetodología , Especiación de Fe Sedimentaria . Las incertidumbres analíticas (1 SD, 1σ) generalmente se abarcan dentro de cada punto de datos individual con la excepción de algunas relaciones Δ 36 S / Δ 33 S cuya incertidumbre se calculó a partir de las incertidumbres 1σ internas o externas más grandes asociadas con el Δ 33 S sinprocesary Δ 36 S datos ( 9 ). El registro litológico a gran escala ( A ) sigue el presentado en Zerkle et al. ( 9 ), mientras que los nuevos datos ( B ) se trazan contra los registros sedimentarios detallados, que junto con las fotos principales están disponibles en línea ( general.uj.ac.za/agouron/index.aspx )
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Fig. S1.
Mapa geológico del Supergrupo Transvaal conservado en el Kaapvaal Craton con un inserto geográfico, modificado a partir de las referencias. 53 y 68 . La posición de los núcleos donde la covarianza Δ 36 S / Δ 33 S – δ 13 C se ha informado previamente (núcleo GKF01, ref. 9 ; núcleo BH1-Sacha, ref. 8 ) se indica mediante estrellas etiquetadas. Además, también se proporciona el núcleo adicional de Agouron (GKP01) que discutimos a continuación en términos de restricciones cronológicas. Las facies de meseta de Ghaap en aguas poco profundas están separadas de sus equivalentes en aguas profundas por la falla en Griquatown (GFZ; refs. 37 y 53), de ahí la diferente nomenclatura estratigráfica entre Zerkle et al. ( 9 ) e Izon et al. ( 8 )
