史密森尼國家自然歷史博物館（Smithsonian’s National Museum of Natural History）的研究人員對據信至少有25 億年曆史的岩石進行了一項新的分析，揭示了地球地幔（地殼下的一層）的化學史。他們的發現加深了我們對地球最早地質過程的了解，並有助於解決地球地質歷史的長期科學爭論。值得注意的是，這項研究提供的證據表明，地球大部分地函的氧化狀態在地質年代中一直保持穩定，這對其他研究人員先前關於重大轉變的論點提出了質疑。

從北極附近的加克爾海脊採集的古代岩石薄片，在顯微鏡下拍攝，並在交叉偏振光下觀察。視野寬度約14 毫米。分析岩石薄片有助於地質學家識別岩石中的礦物並確定其特徵。分析結果揭示了岩石的礦物成分、質地和歷史，例如岩石是如何形成的，以及隨後經歷的任何變化。研究人員利用這些來自地函的古老岩石中礦物的鑑定和化學成分來確定這些岩石熔化的條件。資料來源：E. Cottrell，史密森尼學會

博物館礦物科學系主任、國家岩石收藏館館長伊麗莎白-科特雷爾（Elizabeth Cottrell）是這項研究的共同作者，她說：「這項研究告訴我們更多關於我們生活的這個特殊地方是如何形成的，它獨特的表面和內部讓生命和液態水得以存在。 “

這項發表在《自然》雜誌上的研究主要針對一組從海底採集的岩石，這些岩石具有不同尋常的地球化學特性。也就是說，這些岩石顯示出極度熔化的跡象，氧化程度極低；氧化是指原子或分子在化學反應中失去一個或多個電子。在其他分析和建模的幫助下，研究人員利用這些岩石的獨特性質表明，它們的年代很可能可以追溯到至少25 億年前的阿基坦紀。此外，研究結果表明，自從這些岩石形成以來，地球地函總體上一直保持著穩定的氧化狀態，這與其他地質學家先前的理論截然不同。

研究團隊從海底挖出並研究的一塊古老岩石。圖片來源：Tom Kleindinst

科特雷爾說：”我們研究的古代岩石的氧化程度比典型的現代地函岩石低1萬倍，我們提出的證據表明，這是因為它們是在地函溫度比今天高得多的阿新世時期在地球深處熔化的。地用這樣一個事實來解釋：地球的地函經過數十億年的冷卻，已經不再熱到足以產生氧化水平如此之低的岩石。

地質證據和研究方法

研究小組–包括研究的主要作者蘇珊娜-伯納（Suzanne Birner），她在美國國家自然歷史博物館完成了博士前期研究，現在是肯塔基州貝裡亞學院的助理教授–開始了他們的研究，以了解地球固體地函與現代海底火山岩之間的關係。研究人員首先研究了從兩個洋脊的海底挖出的一組岩石，在這兩個洋脊上，構造板塊正在分開，地函被攪動到地表並產生新的地殼。

研究的岩石是從北極附近的加克爾海脊和非洲與南極洲之間的西南印度洋海脊這兩個地方採集的，它們是世界上擴張速度最慢的兩個板塊邊界。與東太平洋隆起等火山遍布的快速擴張海脊相比，這些海脊的緩慢擴張速度意味著它們在火山方面相對平靜。這意味著，從這些緩慢擴張的海脊收集到的岩石更有可能是地函本身的樣本。

2004 年，科考船克諾爾號在海上航行時的船尾。 A 型框架結構承載著巨大的金屬和鏈條水桶，水桶被下放到海面以下1 萬多英尺處，沿著海底拖動，以採集地質樣本。圖片來源：Emily Van Ark

當研究小組分析從這兩個山脊收集到的地函岩石時，他們發現這些岩石具有共同的奇怪化學性質。首先，這些岩石的熔化程度遠遠超過當今地球地函的典型熔化程度。其次，這些岩石的氧化程度比大多數其他地球地函樣本要低得多。

為了達到如此高的熔化程度，研究人員推斷，這些岩石一定是在地球深處的極高溫度下熔化的。地球地質歷史中唯一已知的高溫時期是25 億至40 億年前的太古代。因此，研究人員推斷，這些地函岩石可能在太古代熔化過，當時地球內部的溫度比現在高出360-540 華氏度（200-300 攝氏度）。

如此強烈的熔融狀態可以保護這些岩石免於進一步熔融，從而改變其化學特徵，使它們能夠在地球地函中循環數十億年而不會顯著改變其化學性質。

「僅憑這一事實並不能證明任何事情，」科特雷爾說。 “但它為這些樣本是來自太古代的真正地質時間膠囊打開了大門。”

為了探索可能解釋在加克爾海脊和西南印度洋海脊收集的岩石氧化水平低的地球化學情景，該團隊將多種模型應用於他們的測量。這些模型顯示，他們在樣本中測得的低氧化水平可能是由地球深處極熱條件下的熔融造成的。

這兩個證據都支持這樣的解釋，即這些岩石的非典型特性代表了在地函能產生極高溫度的阿基坦時期地球深處熔化所產生的化學特徵。

以前，一些地質學家將氧化程度低的地函岩石解釋為證明阿基坦地球的地函氧化程度較低，並透過某種機制隨著時間的推移而變得更加氧化。所提出的氧化機制包括：由於氣體流失到太空，氧化程度逐漸增加；透過俯衝作用回收舊海底；地核持續參與地函地球化學。但是，迄今為止，這一觀點的支持者還沒有形成任何一種解釋。

相反，新的研究結果支持這樣一種觀點，即地球地函的氧化水平在數十億年間基本上保持穩定，在一些地函樣本中看到的低氧化水平是在地球無法再產生的地質條件下產生的，因為地函已經冷卻。因此，新研究認為，不是某種機制使地球地函在數十億年的時間裡變得更加氧化，而是阿凱安時期的高溫使部分地函的氧化程度降低。由於地球的地函自阿新世以來已經冷卻，因此無法再產生氧化程度超低的岩石。科特雷爾說，地球地函冷卻的過程提供了一個簡單得多的解釋：地球不再像以前那樣製造岩石了。

科特雷爾和她的合作者現在正透過在實驗室中模擬阿基坦時期極高的壓力和溫度，試圖更了解形成加克爾海脊和西南印度洋海脊阿基坦地函岩石的地球化學過程。

編譯自/ ScitechDaily