古代岩浆海洋如何提高地球的氧气含量

我们或许要感谢古老的岩浆海洋，为地球带来了可呼吸的空气。

大约 45 亿年前，在地球形成后不久，地幔中的氧气含量就比原来丰富得多。这块岩石开始向缺氧的大气中泄漏二氧化碳和水等分子，帮助在地球形成前约 20 亿年开启了适合生命生存的条件。大氧化事件，当大气中的分子氧含量猛增时（日期：2/6/17）。

地幔中这种化学转变的原因一直是个谜。现在，新的实验室实验表明，早期地球岩浆海洋中涉及铁的化学反应使地幔的化学平衡向富含氧的化合物倾斜研究人员在 8 月 30 日的报告中报告称科学。

“这不仅仅是一个化学奇迹……它具有深远的意义，因为它为地球随后的演化奠定了基础，”华盛顿特区卡内基科学研究所的地球化学家乔纳森·塔克 (Jonathan Tucker) 表示，他没有参与这项研究。“地球和行星的氧化状态是控制宜居性的一个非常非常重要的因素。”

在地球早期的历史中，行星曾受到行星的撞击，这些行星可能形成了熔岩海洋，深达地幔数百公里。科学家们怀疑，这种岩浆海洋中的巨大压力迫使含氧的亚铁分裂成两种不同的铁：一种富含氧气的铁，称为三价铁，另一种不含氧的金属铁。这种重金属铁会沉入地球核心，而地幔则以含氧量更高的三价铁为主。

为了验证这一想法，德国拜罗伊特大学的地球化学家进行了实验室实验，模拟了岩浆海洋内部约 600 公里深处的情况。研究人员在将合成地幔材料加热到数千摄氏度的同时，用铁砧压碎熔融样品，压力高达 20 千兆帕斯卡以上。

“这相当于把整个埃菲尔铁塔的质量放在一个高尔夫球大小的物体上，”现任加州大学戴维斯分校的凯瑟琳·阿姆斯特朗说。

阿姆斯特朗和同事测量了样本暴露于这些极端条件之前和之后的亚铁和三价铁的含量。无论岩石中原本含有多少亚铁，在最高压力下，最终产物中 96% 的铁都是富氧三价铁。

阿姆斯特朗解释说，这一发现表明，在岩浆海深处，三价铁更稳定。任何二价铁在那些深度都很容易分解成三价铁，从而脱落金属铁，沉入地核。

塔克表示，这些结果“相当有说服力”，证明岩浆海中亚铁的化学分解可能有助于提高早期地球地幔中氧气的相对丰度。但他补充说，目前尚不清楚这一化学过程是否是导致早期地球大气中氧气含量上升的唯一因素。

德克萨斯大学奥斯汀分校的矿物物理学家阿福·林（Afu Lin）没有参与这项研究，但他同样认为亚铁的分解是地球富氧大气的一个合理解释。他说，研究人员可以通过在早期地球岩石中寻找该过程的化学特征来帮助验证这一说法，并超深钻石来自地幔（日期：8/15/19）。