古代岩漿海洋如何提高了地球的氧氣含量

我們可能要感謝古老的岩漿海洋，為地球提供了可呼吸的空氣。

大約 45 億年前地球形成後不久，地函中的氧氣不知何故變得比原來豐富得多。 這塊岩石開始將二氧化碳和水等分子洩漏到缺氧的大氣中，在地球誕生前約 20 億年前幫助啟動了適合生命存在的條件。大氧化事件，當大氣中分子氧的含量激增時（序號：2/6/17）。

地函中化學轉變的原因一直是個謎。 現在，新的實驗室實驗表明，早期地球岩漿海洋中涉及鐵的化學反應使地函的化學平衡有利於更多富氧化合物，研究人員在 8 月 30 日報告科學。

「這不僅僅是一種化學好奇心……它非常重要，因為它確實為地球隨後的所有進化奠定了基礎，」華盛頓特區卡內基科學研究所的地球化學家喬納森·塔克（Jonathan Tucker）說，他沒有參與這項研究。 “地球和整個行星的氧化態是控制宜居性的一個非常非常重要的因素。”

在地球歷史的早期，地球曾受到星子的撞擊，這可能會形成深達地函數百公里的熔岩海洋。 科學家懷疑，此類岩漿海洋中的巨大壓力迫使含氧亞鐵分裂成兩種不同的鐵：一種富含氧，稱為三價鐵，另一種是無氧金屬鐵。 這種重金屬鐵可能會沉入地核，使地函以富含氧的三價鐵為主。

為了驗證這個想法，德國拜羅伊特大學的地球化學家進行了實驗室實驗，模擬了岩漿海洋深處約 600 公里的條件。 在將合成地函材料加熱到數千攝氏度的同時，研究人員使用砧座以高達 20 吉帕以上的壓力壓碎熔融樣品。

「這相當於將艾菲爾鐵塔的全部質量放在一個高爾夫球大小的物體上，」現任職於加州大學戴維斯分校的凱瑟琳·阿姆斯特朗 (Katherine Armstrong) 說道。

阿姆斯壯和同事測量了暴露於這些極端條件之前和之後樣品中二價鐵和三價鐵的含量。 無論岩石中最初含有多少二價鐵，在最高壓力下，最終產品中 96% 的鐵都是富氧三價鐵。

阿姆斯壯解釋說，這項發現表明，在岩漿海洋深處，三價鐵更加穩定。 在這些深度的任何二價鐵都容易分解成三價鐵，脫落的金屬鐵會沉入核心。

塔克說，這些結果是「相當令人信服」的證據，顯示岩漿海洋中二價鐵的化學分解可能有助於增加早期地函中氧氣的相對豐度。 但他補充說，目前尚不清楚這個化學過程是否是導致早期地球大氣中氧氣含量上升的唯一過程。

德州大學奧斯汀分校的礦物物理學家林阿福（Afu Lin）並未參與這項工作，他同樣發現二價鐵的分解是地球富氧大氣的合理解釋。 他說，研究人員可以透過在早期地球岩石中尋找這一過程的化學特徵來幫助驗證這一說法。超深鑽石來自地函（序號：2019 年 8 月 15 日）。