新元古代埃迪卡拉纪（距今6.35-5.41亿年）的地球磁场处于异常状态，该时期埃迪卡拉软体多细胞无脊椎动物群迅速多样化与繁盛，两者之间是否存在关联是一个引人深思却尚无定论的问题。
近日，我所碰撞隆升及影响团队黄文涛研究员与美国罗切斯特大学John A. Tarduno教授、弗吉尼亚理工大学肖书海院士、南京大学李永祥教授等合作者，从缓慢冷却的南非布什维尔德辉石岩（20.5亿年）和巴西辉长岩（5.91亿）中分离出了斜长石颗粒，这些斜长石颗粒的载磁矿物为岩浆冷却过程中高温出熔的针状单磁畴(钛)磁铁矿，粒径小于200 nm，记录着原生剩磁，是进行古地磁场强度测试最为理想的材料（图1, 2）。实验采用了古强度测试最为准确的Thellier-Coe方法，基于CO2激光的快速加热，使用严格的数据筛选标准排除被氧化的样品，最终获得了22个布什维尔德斜长石颗粒和21个巴西斜长石颗粒的高质量古强度数据。这些数据显示布什维尔德辉石岩记录到的地磁场强度为69.0 ± 4.3 μT，巴西辉长岩记录到的地磁场强度为2.73 ± 0.69 μT。在对数据进行了各向异性与冷却速率校正后，获取的20.5亿年前和5.91亿年前的时间平均的地磁场视偶极矩分别为8.04 ± 0.40 x 1022 Am2和0.25 ± 0.02 x 1022 Am2。该结果指示20.5亿年前的古地磁场强度高出现今地磁场强度30%，而5.91亿年前的地磁场强度仅为现今的1/30，为目前已报道的地磁场强度最低值（图3a）。结合前人的研究成果，我们推断出太古宙（40-25亿年前）的强地磁场期延伸到了古元古代（25-16亿年前）。同时，埃迪卡拉纪存在强度小于现今磁场强度10%的极弱地磁场期，该时期至少从5.91亿年前持续到5.65亿年前，延续了2600万年。
古生物学研究发现埃迪卡拉动物群种群数量从5.75亿年前开始迅速增多，并在5.65亿年前到达全盛（图3b）。前人对埃迪卡拉动物群突然出现的解释侧重于基因学、生态学和对环境因素的考量。埃迪卡拉动物群出现与繁荣的时间与我们定义的埃迪卡拉纪极弱地磁场期高度重合，研究团队重新审视了环境因素的驱动作用，尤其是大气与海洋中增氧事件的影响。形态复杂、可以自由移动的宏体生物对环境氧含量有着很高的要求。拥有长食物链的动物生态系统也需要大量氧气支持。埃迪卡拉动物群中存在尺寸达到分米级别的宏体可移动动物，应该对氧气含量有着很大需求。地球化学的研究表明，晚埃迪卡拉纪大气与海洋中的氧气含量显著增加，尤其是在5.75-5.65亿年前出现的Shuram δ13C负偏期间。沉积于5.7-5.6亿年前的黑色页岩的δ98Mo和δ82/76Se的上升(图3b)，以及[Mo]、[U]、[V]等元素丰度的增大均指示了环境中氧气含量的增加。古生物学记录到埃迪卡拉动物群突然出现与繁荣，古地磁学研究确定的极弱地磁场期，以及地球化学研究显示的增氧事件，它们的出现显示出极强的同时性（图3b），因此它们之间的关联值得进一步探究。
氢（H）向外太空的逃逸存在热作用和非热作用两种机制，它们均可引起大气中氧含量的增加。埃迪卡拉纪同位素记录指示的气候变化与甲烷释放可能会产生有利于H逃逸的热作用条件，但是这些解释目前存在争议。使用太阳风演化模型可以计算出稳态磁顶层高度在5.65亿年前低于4.5R⊕（R⊕指地球半径），在5.91亿年前低于4.2R⊕，远低于现今的约10.7R⊕。在极端太阳活动的日冕巨量喷发时期，磁顶层高度可能会被压缩到1.6R⊕。降低的磁顶层高度会使得两极地区非闭合磁力线区域的面积显著扩大，大大增加H的非热作用逃逸通道。两极地区非闭合磁力线区域的面积在5.91亿年前为现今的3.5倍，该面积在日冕巨量喷发时期可能会更大。此外，极弱地磁场期降低的磁顶层高度可能会接近甚至低于电离层高度，而电离层的等离子体以H+为主，因此会有更多H+的逃逸。极弱地磁场期磁层范围的显著缩小也会使得太阳风更易轰击更多大气中的H原子，使它们获取动能后逃逸。最后，降低的磁顶层高度使得更多高能质子以更大的角度穿透大气层，催化光化学反应生成氮氧化物，造成臭氧层空洞。强烈的紫外线引起的水气分解会使得H源源不断地向外太空输送和逃逸。在弱-极弱地磁场条件下， H通过以上过程从地球磁层的非热作用逃逸可能持续了几千万年至上亿年，从而引起了大气中氧含量的持续增长，为埃迪卡拉动物群的繁盛与其后的寒武纪生命大爆发奠定了氧气基础。
上述研究成果以“Near-collapse of the geomagnetic field may have contributed to atmospheric oxygenation and animal radiation in the Ediacaran Period”为题，近期以Article形式发表在Nature communications earth & environment上,并被作为封面亮点成果推广。我所黄文涛研究员为论文第一作者，John A. Tarduno教授为论文的通讯作者。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s43247-024-01360-4
https://www.nature.com/commsenv/
图1：南非布什维尔德20.5亿年辉石岩中的典型斜长石颗粒岩石磁学、扫描电镜与古强度测试结果。
图2：巴西5.91亿年辉长岩中的典型斜长石颗粒岩石磁学、扫描电镜与古强度测试结果。
图3：地磁场强度演化，新元古代δ82/76Se的逐步增加，以及埃迪卡拉纪动物群的出现和繁盛。红色实心六边形为本研究最新获取的古强度数据。
