一個國際科學家小組發現了地球早期大氣與地幔深處化學之間的重要聯繫，從而揭示了地球的演化過程。這項研究由朴茨茅斯大學和蒙彼利埃大學的研究人員領導，為我們星球上的生命進化和大氣中氧氣的增加提供了新的線索。

微小的礦物包裹體首次展示了大氣中氧氣的積累並改變了地幔的成分。圖片來源：Hugo Moreira / Nature Geoscience

研究小組對古代俯衝帶形成的岩漿進行了研究，在俯衝帶，地殼的一部分沉回地幔，來自地球歷史上的一個關鍵時刻–大氧化事件（GOE）。據估計，這一事件發生在21 億至24 億年前，當時地球大氣中的氧氣含量迅速增加，改變了地球上的生命和環境。然而，關於大氣變化如何在地幔上留下印記的研究卻很少。

顯示大氣條件變化的圖表。資料來源：雨果-莫雷拉博士

構造過程與地球地幔

這項發表在《自然-地球科學》（Nature Geoscience）雜誌上的新研究考察了板塊構造在大氣、地球表面和深層地幔之間元素循環和交換過程中的作用。到目前為止，了解這些相互作用的可靠方法還很難找到。

通過研究全球環境變化前後的岩漿，研究小組發現了從還原岩漿到氧化岩漿的轉變。這是來自山脈的氧化沉積物在風化和侵蝕過程中轉化為沈積物，然後通過俯衝過程再循環到地幔的深俯衝結果–揭示了沉積物再循環如何為大氣提供了進入地幔的通道。

還原磷灰石包裹體。資料來源：雨果-莫雷拉博士

發現的意義

這一發現意味著，這些”一縷縷”的氧氣可能改變了地幔，促進了鈣鹼性岩漿的氧化，改變了大陸地殼的成分，並導致了地球上礦床的形成。

主要作者、蒙彼利埃大學的雨果-莫雷拉博士（Hugo Moreira）和朴茨茅斯大學的客座研究員說：”有了這些發現，我們對地球遠古’呼吸’的理解向前邁進了一大步。它不僅為地球的地質演變提供了至關重要的見解，還揭示了地球深部及其地幔是如何與大氣變化緊密聯繫在一起的。它讓我們更好地理解了地球外部和內部儲層之間的關係。”

“此外，它還提出了一個引人入勝的問題，即氧氣在塑造我們星球的歷史和為我們所知的生命鋪平道路的條件方面所發揮的作用”。

氧化磷灰石包裹體。資料來源：雨果-莫雷拉博士

研究方法

研究小組利用法國歐洲同步輻射設施的ID21 光束線，分析了巴西米涅羅帶20 億年前的鋯石晶體中發現的礦物的硫狀態。他們發現，在大洋環流之前結晶的岩漿中的礦物的硫狀態有所降低。然而，在GOE 之後，這些礦物變得更加氧化。

歐洲同步輻射設施。資料來源：歐洲同步輻射設施

結論

莫雷拉博士說：”簡單地說，地幔氧富集度是衡量氧推動岩漿中化學反應能力的指標，對於了解火山活動和礦石形成至關重要。然而，在過去，我們缺乏一種可靠的方法來跟踪這一參數在地球歷史遠古時期的變化–直到現在。

“它為了解地球外部和內部儲層之間的關係提供了一個強有力的工具。硫分和岩漿絮凝度是動態參數，在岩漿從形成到結晶的整個過程中都會發生變化。雖然我們的研究考慮了壓力和溫度等因素，但還需要進一步分析，以追踪從岩漿生成到最終結晶的完整’富集路徑'”。

共同作者、朴茨茅斯大學地質學教授克雷格-斯托里（Craig Storey）教授說：”我們的研究開闢了令人興奮的新研究途徑，讓我們更深入地了解地球的遠古時代及其與大氣層發展之間的深刻聯繫。它挑戰我們思考岩漿類型隨時間演變的問題，以及板塊構造和大氣循環之間錯綜複雜的相互作用。”

莫雷拉博士補充說：”當我們繼續探索地球地質歷史的奧秘時，有一點是肯定的–地表下還有更多的東西等待我們去發現。”