华北五台山大石岭组古元古代叠层石中微凝块体的发现及其对GOE时期微生物钙化与大气CO2 水平的启示

本研究针对古元古代大氧化事件（GOE）期间微生物钙化与大气CO2 水平的关联问题，通过分析华北五台山2.1 Ga大石岭组叠层石的微-介观结构，首次识别出三类微凝块体（microclots-1/2/3），揭示了其形成层状、网状和枝状微凝块纹层的机制，提出GOE时期CO2 水平可能已降至10倍现代值（PAL）以下，为早期地球碳循环动力学提供了关键约束。

　　

在地球漫长的演化历程中，大氧化事件（Great Oxidation Event, GOE）是一个划时代的转折点。约24.5-20.6亿年前，大气中的氧气含量突然飙升，彻底改变了地球的化学环境和生命演化的轨迹。然而，这一重大事件背后的细节仍充满谜团——特别是微生物活动如何响应当时剧烈变化的大气成分？CO₂
与O₂
的此消彼长如何影响早期生态系统的运作？这些问题直接关系到我们对地球早期碳循环的理解。

长期以来，科学界普遍认为GOE期间微生物钙化（microbial calcification）的增强主要归因于氧气含量的上升。但近年来越来越多的证据表明，大气CO₂
水平的下降可能扮演了更关键的角色。理论模型预测，只有当CO₂
浓度降至现代值的10倍左右（10 PAL）时，海洋碳酸盐饱和度才会显著提高，从而促进微生物诱导的碳酸盐沉淀。然而，这一假说缺乏直接的地质证据支持，尤其是来自GOE关键时期的微生物化石记录。

在这一背景下，中国的研究团队将目光投向了华北克拉通五台山地区的大石岭组叠层石。这些形成于21亿年前的微生物岩（microbialite），是GOE时期保存最完好的生物沉积结构之一。通过多尺度分析，研究人员首次在该地层中发现了三类特征鲜明的微凝块体（microclots），并揭示了它们对重建古环境参数的独特价值。这项发表于《Palaeoworld》的研究，为破解GOE的碳循环密码提供了新的钥匙。

关键技术方法
研究团队对采自大石岭组的35个叠层石样本进行了多尺度分析：采用KEYENCE VHX-1显微系统观察220个定向薄片的微-介观结构；通过拉曼光谱检测微凝块体中有机物的特征峰（1349.25 cm^–1
D带和1591.90 cm^–1
G带）；结合碳同位素分析约束成岩环境；利用沉积学方法解析纹层交替规律。

研究结果

1. 叠层石的多尺度结构特征
   大石岭组叠层石展现出从微观到宏观的完整结构层级：微米级的微凝块体（microclots-1/2/3）构成介观尺度的凝块纹层（microclotted laminae），最终形成宏观的叠层石形态（stromatolitic morphologies）和生物礁（bioherm）。其中，微凝块-1呈团簇状，微凝块-2具网状分支，微凝块-3显示树枝状形态，三者的分布密度差异形成了明暗交替的纹层结构。

2. 微生物钙化的直接证据
   拉曼光谱在暗色微凝块体中检测到典型有机质信号，证实其微生物起源。纹层的周期性交替被解释为微生物群落因环境波动发生的生长-衰亡循环。这种生物矿化（biomineralization）特征表明，当时的大气CO₂
   水平可能已低于10 PAL阈值，使得海洋pH值升高并促进碳酸盐沉淀。

3. 环境控制机制
   研究提出三重控制模型：微生物代谢活动产生碱性微环境；GOE期间CO₂
   下降提升全球海洋碳酸盐饱和度；局部水体动荡导致纹层交替。这与前人认为高CO₂
   （>10 PAL）会抑制钙化的观点一致，但将可靠证据提前至21亿年前。

结论与意义
该研究通过微凝块体这一"地质温度计"，首次为GOE中-晚期大气CO₂
水平可能已降至10 PAL以下提供了实证支持。这一发现修正了传统认知：虽然氧气增加确实改变了微生物生态系统，但CO₂
的下降才是驱动钙化增强的更直接因素。大石岭组叠层石犹如封存21亿年的"碳循环记录仪"，其微凝块体结构为理解地球早期生命与环境协同演化提供了全新视角，也为构建全球古碳循环模型奠定了关键基石。