近日，河北师范大学地理科学学院郭自晓副教授与中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室陈中强教授团队、伦敦大学学院Dominic Papineau教授等研究人员合作在国际权威学术期刊《Nature Communications》发表题为“Abiotic synthesis of graphitic carbons in the Eoarchean Saglek-Hebron metasedimentary rocks”的最新研究成果，解密地球早期石墨碳生命信号的非生物成因机制。
研究背景
生命起源一直困扰地球科学界的重大科学问题。早期生命证据的寻找是一件非常有挑战性的难题，主要原因是含有机质的古老沉积岩通常遭受了高级的变质作用。这种变质作用导致有机质向结晶态石墨转变，从而模糊了古老微生物遗迹的形貌。因此，始太古代（36-40亿年前）生命证据的寻找需要更多的化学及同位素生命信号。目前，这种石墨碳生命信号已发现于西南格陵兰的Isua Supracrustal Belt (>3.7 Ga)和Akilia association (>3.83 Ga)，以及加拿大的Nuvvuagittuq Supracrustal Belt (3.75–4.3 Ga)和Saglek-Hebron Gneiss Complex (~3.9 Ga)。越来越多的研究表明，高级变质作用将导致生物有机碳丢失杂原子（如H、N、O、S），同时亏损12C和14N等轻同位素，从而形成同位素值偏重的残余石墨碳。因此，石墨碳中的前体碳可能受到变质作用和各种非生物过程的影响，这些过程可能解释变质沉积岩中石墨碳的组成和结晶度。在这种背景下，区分非生物和生物过程以及石墨碳中有机分子的来源是准确识别地球（甚至地外）早期生命痕迹的重要目标。
研究内容
作者对来自加拿大Saglek-Hebron地区的始太古代变质沉积岩（~38亿年；图1）开展了系统的岩相学和地球生物学的工作（高分辨的分析手段包括：Raman、TIMA、FIB-SEM/TEM、NanoSIMS）。文章表征了研究区变质沉积岩中石墨与矿物的组合关系、不同类型石墨碳的大小和结晶度变化特征、不同类型石墨碳经历的结晶温度及元素分布、石墨碳的碳同位素与流体中CO2和CH4碳同位素的关系、石墨碳与碳酸盐及蛇纹石脉体中磁铁矿的分布关系。
图1. Saglek-Hebron地区变质沉积岩特征
核心发现
1. 在Saglek-Hebron地区条带状铁建造（BIF）中，三种不同类型的石墨碳分别是纯石墨、石墨与方解石组合、石墨与C-H-O流体组合（图2），其结晶温度分别为425到627 °C、415到610 °C、336到498 °C。石墨碳的碳同位素值介于流体中CO2和CH4碳同位素值之间。这表明，研究区BIF中原始有机物在变质过程中保存为结晶态石墨碳，其热降解形成了C-H-O流体，为贫结晶石墨碳的沉淀提供了条件。
图2. Saglek-Hebron地区条带状铁建造（BIF）中的3种石墨碳特征
2. 在Saglek-Hebron地区大理岩中，石墨与磁铁矿紧密相关，且均分布于方解石与白云石接触边缘（图3），其结晶温度为368到583 °C。大理岩蛇纹石脉体中的磁铁矿在岩相学上与石墨无关。这表明，研究区大理岩中不同结晶度的石墨碳形成于非生物的去碳酸盐化作用（Fe-dolomite + water => Mg-calcite + magnetite + graphite + methane）。
图3. Saglek-Hebron地区大理岩中石墨碳特征
这项工作依托中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室超级原位微区实验平台，通过多种原位微区分析仪器联用发现地球早期原始沉积有机物的非生物转化过程，完善了地球早期生命信号的非生物成因机制，证实了始太古代不同结晶度的石墨碳可能是地球早期非生物过程的产物。因此，该研究将有助于深入理解变质作用对原始有机物保存的影响，以及地球早期碳的地质转化和生物地球化学循环，为理解全球地表环境、矿物与生命的协同演化起到重要的推动作用。
原文
链接：
Zixiao Guo, Dominic Papineau, Jonathan O’Neil, Hanika Rizo, Zhong-Qiang Chen, Xincheng Qiu, and Zhenbing She. (2024) Abiotic synthesis of graphitic carbons in the Eoarchean Saglek-Hebron metasedimentary rocks. Nature Communications, 15:5679, https://doi.org/10.1038/s41467-024-50134-1.
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作者：郭自晓
编辑：刘丹娜
审核：陈中强
