近日，西北大学前寒武纪地质研究团队对华北克拉通蓟县14亿年古风化壳开展系统地球化学研究，通过二价铁氧化动力学氧气质量平衡模型，估算了当时大气氧含量可达现今氧水平的7%，为中元古代大气氧演化提供了新证据。相关成果以“Oxygen rise recorded in a 1.4 Ga paleoweathering crust from the North China Craton”为题发表在国际学术期刊《Science Bulletin》上。

1.8-0.8亿年时期连接着古元古代大氧化事件（2.43-2.06 Ga）和新元古代大气增氧事件（0.85-0.54 Ga），是地球表层氧化历史演化的重要阶段。长期以来，学界普遍认为这一时期大气氧含量极低，因环境变化和生物演化缓慢，被称为地球历史上的“无聊十亿年（Boring Billion）”。然而，越来越多的研究表明，该时期大气氧含量可能并非长期稳定，而是经历过阶段性升高。尽管已有多种地球化学指标和数值模拟对当时大气氧浓度进行了估算，但相关认识仍存较大争议，氧含量变化范围也十分宽泛。

古土壤和古风化壳是地表风化与大气相互作用形成的产物，能够直接记录古大气环境信息，是重建早期地球氧化历史的重要载体。我国华北克拉通燕辽盆地蓟县地区广泛分布着形成于约14亿年前的古风化壳，厚度约1米，由碳酸盐岩风化淋滤形成，较完整地保存了当时的环境演化信息（图1）。

图1. (a) 华北克拉通燕辽盆地地质简图；(b) 蓟县古风化壳信手剖面图及采样位置；(c) 铁岭组灰岩及上覆发育的古风化壳下部单元；(d) 古风化壳上部单元；(e) 古风化壳上部单元中褐铁矿层和富铁泥质砂岩夹层。

通过对蓟县古风化壳开展系统地球化学研究，并结合二价铁氧化动力学氧气质量平衡模型，在严格限定风化壳形成持续时间、年降雨量和地下水位等关键参数前提下，对其形成过程中所需的大气氧含量进行了定量约束。研究发现，风化壳不同层位记录的氧化程度存在明显差异：上部岩层与氧气反应充分，表现出较高的氧化特征；下部岩层则记录了相对较低的氧气水平。研究认为，这是由于含氧流体向下渗透过程中，自由氧优先与上部岩层中的二价铁发生反应并逐渐被消耗所致。值得注意的是，下部岩层中的二价铁同样被完全氧化，表明当时流体中含有充足的自由氧。基于这一特征，研究团队利用风化壳表层岩石的氧气需求量，对当时大气氧浓度进行了定量重建。结果显示，约14亿年前地球大气氧浓度最低可达现今大气氧含量（PAL）的近7%（图2）。这一结果显著高于传统研究提出的0.1%-1% PAL，并与近年来部分数值模拟得到的4%-9% PAL结果相吻合。

结合全球同期高氧记录，研究提出约14亿年前可能发生一次全球性增氧事件，中元古代大气氧演化轨迹比以往认知更为复杂。该研究通过古风化壳重建大气氧水平，为揭示地球早期氧化历史提供了新视角，也为理解早期环境演化及生命发展的条件奠定了重要基础。

图2.(a) 蓟县古风化壳剖面记录的氧气含量计算结果。(b) 2.5-0.5 Ga大气氧浓度演化。GOE：大氧化事件；MOE：中元古代氧化事件；NOE：新元古代氧化事件。红色菱形代表本文估算的氧气浓度水平。

西北大学赵雪纯硕士研究生为论文第一作者，龙晓平教授和兰彩云副教授为论文共同通讯作者。西北大学大陆演化与早期生命全国重点实验室、西北大学—香港大学地球与行星科学联合中心为第一单位，该项研究受多个国家自然科学基金项目资助。

论文信息：

Zhao X., Lan C., Long X. Oxygen rise recorded in a 1.4 Ga paleoweathering crust from the North China Craton. Science Bulletin 71: 2183-2187 (2026).