從俄羅斯地質盆地鑽探出來的古老海鹽，為地球早期大氣層如何變得富含氧氣提供了引人注目的新線索——從而使得我們所知的生命得以進化。這些深埋地下的數十億年的鹽，揭示了很久以前海洋和大氣層化學的驚人線索。
由俄羅斯科學家領導的一個國際團隊挖掘出來的這些鹽，比其他類似的地理樣本大約早十億年。它的年代恰好處於地球大氧化事件的中間，那是遠古時期氧氣開始主導大氣化學的時期。“這是一種真正獨特的，獨一無二的沉積物，”普林斯頓大學的地球化學家克拉拉·布拉特勒說。布拉特勒是3月23日發表在《科學》雜誌上的研究報告的主要作者，該研究報告是關於新的含鹽樣本的。它們是由水蒸發後留下的礦物質組成的。“因為這些蒸發巖礦物是我們取樣古代海水最直接的方式，這種沉積物給了我們一個時間間隔內海水的快照，而我們在那個時間間隔內沒有任何其他直接的約束。”
在從俄羅斯盆地挖掘出的三公里長的圓柱岩心中，布拉特勒和她的同事們確定了一個600米厚的富含硫酸鹽物質的沉積物，包括石鹽（又名氯化鈉）——普通食鹽的結晶祖先。布拉特勒說，該沉積物的巨大尺寸和各種微量地球化學標記都表明它是在海水中形成的，而不是在任何淡水源中形成的。
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該團隊推測，在十多億年前，海水覆蓋了俄羅斯卡累利阿共和國的奧涅加湖河流盆地，該共和國位於該國與芬蘭的西部邊界。流入盆地淺水區的鹽水被困住並最終蒸發，留下了它所攜帶的鹽分。沉積物的厚度表明該過程多次發生，逐漸建立了俄羅斯研究人員後來挖掘的儲層。“僅僅蒸發一次是無法形成那麼多的，”蘇格蘭聖安德魯斯大學的研究員，該研究的合著者馬克·克萊爾說。
該團隊的分析表明，這種古老的海水所攜帶的硫酸鹽大約是現代海水中硫酸鹽的 20%。海水中硫酸鹽的濃度是大氣中氧氣含量以及氧氣如何首先到達那裡的關鍵示蹤劑。
加州大學河濱分校的地球化學家蒂莫西·萊昂斯表示，這是首次對 20 億多年前海洋的原本模糊不清的化學性質進行的直接定量測量，他沒有參與這項研究。“他們在如此古老的岩石中所做的事情是這些事情所能達到的最可靠的程度，”他說。他補充說，這些結果與其他碳和微量礦物質留下的間接記錄是一致的。
其他硫酸鹽蒸發巖樣本很少見。使硫酸鹽溶解在水中的特性也會使其難以找到；當水沖刷先前的沉積物時，它可以重新溶解蒸發巖，抹去記錄並留下新的記錄。這意味著類似的沉積物很少見。布拉特勒說，她的樣品顯然沒有與太多水相互作用——否則它們就會消失。“由於某些未知的原因，這些沉積物被儲存下來了，而且有點出乎意料，”她說。
“確鑿證據”
30 億年前，地球大氣層缺乏豐富的分子氧（O2），而這些分子氧使今天的空氣對複雜的生命來說是可以呼吸的。直到大氧化事件發生之後，這種對我們所知的生命至關重要的氣體才開始在大氣中大量積累，這個神秘的轉變發生在 27 億到 24 億年前。
在允許生命進化的過程中，氧氣的出現也改變了地球的岩石，從而從根本上改變了我們星球的地球化學。當大氣中的氧氣與岩石中的黃鐵礦發生化學反應時，它與黃鐵礦的硫結合，產生硫酸鹽和其他礦物副產品，這些副產品逐漸從岩石中沖刷出來並流入海洋。這就是為什麼可以利用儲存完好的鹽礦床中的硫酸鹽含量來確定古代空氣中的氧氣水平。
之前使用碳同位素的研究提供了大氣中氧氣的間接證據，萊昂斯團隊使用微量金屬和沉積物所做的工作也提供了間接證據。然而，萊昂斯說，新的發現提供了與大氣中生命之氣積累更強的聯絡。“碳同位素表明釋放了大量的氧氣，”他指出。“但這種硫酸鹽本質上是該過程的有力證據。”
科學家們尚不確定所有這些氧氣最初是如何進入大氣層的。一些人認為這可能是一個漸進的地質過程——可能是火山噴發的氣體混合物發生變化，或者是大氣層逐漸將輕質氫原子損失到外層空間。另一些人則更喜歡更突然的機制，例如行星規模的火山爆發或震動地球的小行星撞擊所導致的地質劇變。生命本身甚至可能透過新進化的光合作用生物釋放的氧氣導致了快速飆升。
布拉特勒認為，新結果為突然跳躍提供了比漸進緩解更有力的證據。“我們從觀察中看到的大量硫酸鹽積累支援一個更加戲劇性的轉變，”布拉特勒說。“你必須非常用力地推動系統才能積累這麼多的硫酸鹽。這不是一個微不足道的量。”
萊昂斯在談到快速跳躍的結論時說“我可能會接受這個結論”，他稱這些結果是回答關於地球為什麼會發生大氧化事件以及從更廣泛的意義上說，我們為什麼會在這裡的“價值百萬美元的問題”的“重要一步”。