从俄罗斯地质盆地钻探出来的古老海盐，为地球早期大气层如何变得富含氧气提供了引人注目的新线索——从而使得我们所知的生命得以进化。这些深埋地下的数十亿年的盐，揭示了很久以前海洋和大气层化学的惊人线索。
由俄罗斯科学家领导的一个国际团队挖掘出来的这些盐，比其他类似的地理样本大约早十亿年。它的年代恰好处于地球大氧化事件的中间，那是远古时期氧气开始主导大气化学的时期。“这是一种真正独特的，独一无二的沉积物，”普林斯顿大学的地球化学家克拉拉·布拉特勒说。布拉特勒是3月23日发表在《科学》杂志上的研究报告的主要作者，该研究报告是关于新的含盐样本的。它们是由水蒸发后留下的矿物质组成的。“因为这些蒸发岩矿物是我们取样古代海水最直接的方式，这种沉积物给了我们一个时间间隔内海水的快照，而我们在那个时间间隔内没有任何其他直接的约束。”
在从俄罗斯盆地挖掘出的三公里长的圆柱岩心中，布拉特勒和她的同事们确定了一个600米厚的富含硫酸盐物质的沉积物，包括石盐（又名氯化钠）——普通食盐的结晶祖先。布拉特勒说，该沉积物的巨大尺寸和各种微量地球化学标记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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该团队推测，在十多亿年前，海水覆盖了俄罗斯卡累利阿共和国的奥涅加湖河流盆地，该共和国位于该国与芬兰的西部边界。流入盆地浅水区的盐水被困住并最终蒸发，留下了它所携带的盐分。沉积物的厚度表明该过程多次发生，逐渐建立了俄罗斯研究人员后来挖掘的储层。“仅仅蒸发一次是无法形成那么多的，”苏格兰圣安德鲁斯大学的研究员，该研究的合著者马克·克莱尔说。
该团队的分析表明，这种古老的海水所携带的硫酸盐大约是现代海水中硫酸盐的 20%。海水中硫酸盐的浓度是大气中氧气含量以及氧气如何首先到达那里的关键示踪剂。
加州大学河滨分校的地球化学家蒂莫西·莱昂斯表示，这是首次对 20 亿多年前海洋的原本模糊不清的化学性质进行的直接定量测量，他没有参与这项研究。“他们在如此古老的岩石中所做的事情是这些事情所能达到的最可靠的程度，”他说。他补充说，这些结果与其他碳和微量矿物质留下的间接记录是一致的。
其他硫酸盐蒸发岩样本很少见。使硫酸盐溶解在水中的特性也会使其难以找到；当水冲刷先前的沉积物时，它可以重新溶解蒸发岩，抹去记录并留下新的记录。这意味着类似的沉积物很少见。布拉特勒说，她的样品显然没有与太多水相互作用——否则它们就会消失。“由于某些未知的原因，这些沉积物被保存下来了，而且有点出乎意料，”她说。
“确凿证据”
30 亿年前，地球大气层缺乏丰富的分子氧（O2），而这些分子氧使今天的空气对复杂的生命来说是可以呼吸的。直到大氧化事件发生之后，这种对我们所知的生命至关重要的气体才开始在大气中大量积累，这个神秘的转变发生在 27 亿到 24 亿年前。
在允许生命进化的过程中，氧气的出现也改变了地球的岩石，从而从根本上改变了我们星球的地球化学。当大气中的氧气与岩石中的黄铁矿发生化学反应时，它与黄铁矿的硫结合，产生硫酸盐和其他矿物副产品，这些副产品逐渐从岩石中冲刷出来并流入海洋。这就是为什么可以利用保存完好的盐矿床中的硫酸盐含量来确定古代空气中的氧气水平。
之前使用碳同位素的研究提供了大气中氧气的间接证据，莱昂斯团队使用微量金属和沉积物所做的工作也提供了间接证据。然而，莱昂斯说，新的发现提供了与大气中生命之气积累更强的联系。“碳同位素表明释放了大量的氧气，”他指出。“但这种硫酸盐本质上是该过程的有力证据。”
科学家们尚不确定所有这些氧气最初是如何进入大气层的。一些人认为这可能是一个渐进的地质过程——可能是火山喷发的气体混合物发生变化，或者是大气层逐渐将轻质氢原子损失到外层空间。另一些人则更喜欢更突然的机制，例如行星规模的火山爆发或震动地球的小行星撞击所导致的地质剧变。生命本身甚至可能通过新进化的光合作用生物释放的氧气导致了快速飙升。
布拉特勒认为，新结果为突然跳跃提供了比渐进缓解更有力的证据。“我们从观察中看到的大量硫酸盐积累支持一个更加戏剧性的转变，”布拉特勒说。“你必须非常用力地推动系统才能积累这么多的硫酸盐。这不是一个微不足道的量。”
莱昂斯在谈到快速跳跃的结论时说“我可能会接受这个结论”，他称这些结果是回答关于地球为什么会发生大氧化事件以及从更广泛的意义上说，我们为什么会在这里的“价值百万美元的问题”的“重要一步”。