大約在25億至20億年前，地球表面經歷了有史以來規模最大的化學轉變。大氣中開始累積氧氣，啟動了一系列變化，最終在大約5億年前促成了複雜生物（如動植物）的出現。
隨著氧氣水平首次升高，大量的微生物物質被埋藏在海底之下。這種埋藏將碳鎖在岩石中，並留下了一種不尋常的同位素特徵。數十年來，許多科學家將這種特徵解釋為地球碳循環在全球範圍內嚴重失衡的證據。
支持這種解釋的證據來自鑽探岩芯——從地下深處提取的長條狀實心岩石圓柱體——這些岩芯取自俄羅斯卡累利阿地區和加彭的法蘭斯維爾盆地的古老海洋沉積物。然而，一項由加州理工學院研究人員領導的新研究，對俄羅斯證據是否真正記錄了全球性事件提出了質疑。
「一項主要的爭論圍繞著一種不尋常的碳同位素訊號，該訊號經常被解釋為全球環境變化的證據，」加州理工學院高級科學研究員 Nivedita Thiagarajan（2012年博士）說，她在地質學與地球化學教授 John Eiler 的實驗室工作。 「我們研究了在俄羅斯卡累利阿地區、世界上最古老的已知化石石油田之一的扎奧內加組（Zaonega Formation）的岩石微小氣泡中捕獲的氣體，發現這個關鍵地點的碳同位素訊號可以由發生在數百平方公里沉積盆地的局部現象來解釋，而不是遍及整個地球。」
Thiagarajan 是近期發表在《Geology》期刊上的一篇論文的主要作者。該研究描述了研究人員如何重建卡累利阿岩石中保存的、在首次大氣氧氣增加後發生的變化序列。
碳同位素——元素較重或較輕的形態——提供了有關數十億年前積累的生物物質來源的資訊。透過測量鑽探岩芯中這些同位素的相對含量（或碳同位素訊號），研究人員可以建立古代環境變化的記錄，有點像閱讀樹木的年輪。
在扎奧內加組和加彭岩石中發現的一種不尋常的碳訊號被稱為舒恩加-法蘭斯維爾事件（Shunga-Francevillian event）。科學家們經常將其作為大約20億年前地球經歷碳循環重大全球性擾動的證據。
「地球在那個大氣中出現氧氣的時期，在某種程度上變得『瘋狂』。我們正在試圖評估地球氧化的原因和後果，」挪威地質調查局（NGU）位於特隆赫姆的研究員、該研究的合著者 Aivo Lepland 解釋道。「這些資訊被記錄在岩石中，所以，為了研究發生了什麼，你必須研究岩石。」
為了從另一個角度檢視舒恩加-法蘭斯維爾事件，研究人員分析了儲存在挪威地質調查局的鑽探岩芯。他們專注於從富含瀝青的扎奧內加組樣本中，封存在微小流體夾雜物內的氣體。
扎奧內加組曾經是一個海洋沉積盆地的一部分。瀝青是一種不溶性的有機碳形式，當埋藏的原油或有機質（天然氣的來源物質）在地表深處受到強烈加熱時形成。
Lepland 在加州理工學院進行休假研究後，該項目得以成形。他帶來了一批尚未完全解釋的、從扎奧內加岩石中捕獲的氣體的新同位素測量數據。
同時，Thiagarajan 和 Eiler 最近完成了測量天然氣同位素比率的研究。這項工作幫助他們開發了一個更廣泛的框架來理解天然氣的形成。
當研究人員結合這兩方面的專業知識和數據時，一種對古代同位素訊號的不同解釋開始出現。
該團隊提出，一層岩漿穿過扎奧內加組的海洋沉積層，當時該地區位於史前海洋之下。岩漿的熱量加熱了富含有機物質的沉積物。
這種加熱產生了包括甲烷和丙烷在內的碳氫化合物。然後，這些氣體向上穿過沉積物，最終到達生活在海底附近的消耗甲烷的微生物。
這些微生物產生了帶有輕碳同位素特徵的生物質，這可能解釋了保存在岩石中的不尋常訊號。
溫度證據支持這一情景。研究人員確定了一個大的溫度梯度，在岩漿侵入體附近溫度高達約350攝氏度，而在約300米高的古代海底瀝青洩漏處則降至約72攝氏度。
「這一系列的地理和生物過程可以解釋在扎奧內加組記錄的不尋常碳同位素訊號，」Thiagarajan 說。「有趣的是，我們在現代油氣盆地觀察到的一些訊號，也存在於20億年前的樣本中並得以保存。」
研究人員強調，他們無法完全排除其他過程的貢獻。即便如此，他們的研究結果表明，保存在扎奧內加組的碳同位素異常主要是由當地沉積盆地內的事件驅動的，而不是由全球性擾動引起的。
「由於扎奧內加組是舒恩加-法蘭斯維爾事件的參考地點，我們的發現對其是否應被視為全球性事件提出了重要問題，」Thiagarajan 說。
下一步將是確定相同的解釋是否適用於在加彭發現的類似同位素訊號。
研究人員計劃分析透過 GOE-DEEP 項目收集的樣本，該項目由國際大陸科學鑽探計劃（International Continental Scientific Drilling Program）共同資助。目標是測試俄羅斯發現的局部地質和生物過程是否也塑造了加彭的岩石記錄。
2025年夏天，Lepland 在加彭度過了四個月，協調鑽探活動。新採集的岩芯於2月抵達挪威地質調查局，並定於今年晚些時候由一個代表18個國家的國際研究團隊進行採樣。
「現在，我們可以透過對加彭岩石進行類似的研究來比較這兩個地點，從而真正將這些資訊聯繫起來，」Lepland 說。「科學就是這樣進步的。」
《Geology》期刊的論文標題為「Paleoproterozoic thermogenic hydrocarbon generation, Zaonega Formation, Russia」。該研究的其他作者包括德國天然同位素分析實驗室 Hydroisotop GmbH 的 Florian Eichinger 和蘇格蘭聖安德魯斯大學的 Anthony Prave。
