近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院郝记华研究员与美国罗格斯大学Paul Falkowski院士、Nathan Yee教授等学者合作，模拟地球早期地表环境，对黄铁矿的光化学氧化过程进行了定量研究，发现硫化物的光化学氧化可以为早期海洋提供硫酸盐及过渡金属元素等重要营养物质。
相关研究成果以“Anoxic photochemical weathering of pyrite on Archean continents”为题发表于国际一流学术期刊《Science Advances》上。该发现揭示了光化学在维系地表营养元素循环和海洋宜居性方面的重要作用。
营养元素是一类在地表水体中含量较低，但构成生命体的关键元素，包括氮、硫、磷以及部分构成生物酶的金属。营养元素的含量和地球化学循环特征控制着地表水体生态系统的组成和规模，是研究地球乃至地外星体宜居性的重点。在地球46亿年历史中，地表经历了漫长的缺氧时期。例如，大气在24亿年前的太古宙末期才发生氧化，但氧气含量依然较低，直到约6亿年前才达到约现代的水平。海洋则一直维持无氧的状态，直到约6亿年前才被氧化。由于硫和部分过渡金属元素在无氧水体中溶解度很低，容易形成硫化物沉淀，因此，这种无氧的环境被认为限制了这些营养元素的大陆输送，不利于早期海洋生命的繁衍和演化。
图1. 光化学实验表明黄铁矿（FeS2）可以在无氧条件下被紫外光氧化，生成硫酸根，并释放Cu和氢气。
近日，郝记华研究员与合作者通过模拟实验和理论建模，针对黄铁矿这一地表最主要硫化物，研究了早期强烈的紫外辐射对硫化物的化学风化和大陆输送的影响。模拟实验结果表明，即使在无氧条件下，黄铁矿依然可以发生光化学氧化，生成硫酸盐及Fe(III)-氢氧化合物，同时，体系中的水会被还原生成氢气。此外，黄铁矿的光化学氧化还可以释放其伴生的多种微量金属元素，例如铜等。作者进一步根据光化学反应的基本原理，结合模拟实验数据，建立早期地表硫化物的光化学风化模型，定量估算了硫化物的无氧光化学氧化通量，指出该过程可以释放可观的硫酸盐及微量金属元素到早期海洋，高于传统认为的火山喷发或者生物席的输入通量，可以很好地解释前人观察到的太古宙晚期硫的大陆输入增强信号。
图2. 模型计算表明黄铁矿的光化学氧化可以输入可观的硫酸根到早期海水
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2226