一项新研究挑战了地幔氧化理论

从北极附近的加克尔山脊收集的一块古代岩石薄片，在显微镜下成像并在交叉偏振光下观察。 视野宽度 ~ 14 毫米。 岩石薄片分析有助于地质学家识别和描述岩石内的矿物。 分析揭示了有关岩石的矿物成分、质地和历史的信息，例如它是如何形成的以及随后经历的任何变化。 研究人员通过测定地幔中这些古老岩石中矿物质的化学成分来确定这些岩石熔化的条件。 版权所有：E. Cottrell，史密森尼

史密森尼科学家正在对古老的“时间胶囊”岩石进行新的研究，这些岩石的历史至少可以追溯到 25 亿年前。

史密森国家自然历史博物馆的研究人员对据信至少有 25 亿年历史的岩石进行了新的分析，揭示了地幔（地壳下方的一层）的化学历史。 他们的发现增强了我们对地球最古老的地质过程的理解，并促成了关于地球地质历史的长期科学争论。 值得注意的是，这项研究提供的证据表明，地球大部分地幔的氧化态在地质时期内一直保持稳定，挑战了其他研究人员之前关于重大转变的断言。

博物馆矿物学部主任伊丽莎白·科特雷尔 (Elizabeth Cottrell) 表示：“这项研究告诉我们更多关于我们居住的这个特殊地方是如何变成现在这个样子的，其独特的表面和内部允许生命和液态水存在。”国家岩石收藏馆馆长兼该研究的合著者“这是我们人类故事的一部分，因为我们的起源都可以追溯到地球的形成和演化。”

该研究发表在期刊上 自然，重点关注从海底收集的一组具有不寻常地球化学特性的岩石。 具体来说，岩石显示出极端溶解的证据，且氧化程度非常低； 氧化是当 玉米 或者一个分子在化学反应中失去一个或多个电子。 在额外分析和建模的帮助下，研究人员利用这些岩石的独特性质表明，它们的历史可能至少可以追溯到 25 亿年前的太古代时期。 此外，结果表明，自从这些岩石形成以来，地幔总体上保持着稳定的氧化态，这与其他地质学家之前的假设相反。

研究小组从海底提取了一块古老的岩石并进行了研究。 照片来源：Tom Kleindienst

科特雷尔说：“我们研究的古代岩石的氧化程度比典型的现代地幔岩石低一万倍，我们提供的证据表明，这是由于太古代时期地球深处的融化造成的，当时地幔比今天更热。”其他人则通过暗示太古代和今天之间发生了氧化或蚀变事件来解释今天地幔岩石中看到的较高水平的氧化。 “我们的证据表明，氧化水平的差异可以简单地用这样一个事实来解释：地幔已经冷却了数十亿年，不再热到足以产生氧化水平如此低的岩石。”

地质证据和研究方法

该研究小组包括主要研究作者苏珊·伯纳（Susan Berner），她在国家自然历史博物馆完成了博士前奖学金，现在是肯塔基州伯里亚学院的助理教授，开始了他们的调查，以了解地球的固体地幔与现代火山之间的关系。海底的岩石。 研究人员首先研究了从两个洋脊海底挖掘出来的一组岩石，在这两个洋脊处，构造板块分开，地幔移动到表面并产生新的地壳。

研究岩石的采集地是北极附近的杰基尔山脉和非洲与南极洲之间的西南印度山脉，这两个地方是世界上扩张最慢的板块边界之一。 从火山角度来说，这些洋脊的传播速度缓慢，这意味着与东太平洋海脊等传播速度较快的火山脊相比，它们相对安静。 这意味着从这些缓慢扩张的山脊收集的岩石很可能是地幔本身的样本。

2004 年，R/V Knorr 号研究船的船尾在海上。A 形的船体承载着巨大的金属桶和链条，该金属桶和链条被降到海面以下 10,000 多英尺处，并沿着海底拖动以收集地质样本。 版权所有：艾米丽·范·阿克

当研究小组分析从这两个山脊收集的地幔岩石时，他们发现它们具有奇怪的化学特性。 首先，岩石的熔化程度比当今地幔岩石的典型熔化程度要大得多。 其次，这些岩石的氧化程度比大多数其他地幔岩石样本要少得多。

为了达到如此高的熔化程度，研究人员得出结论，岩石必须在非常高的温度下在地下深处熔化。 地球地质史上已知的唯一一个出现如此高温的时期是 2.5 至 40 亿年前的太古宙。 因此，研究人员得出结论，这些地幔岩石可能在太古宙期间融化，当时行星内部的温度在 360 至 540 度之间。 F （200-300度 摄氏度）比今天更热。

高度可溶性可以保护这些岩石免遭进一步融化，从而改变它们的化学特征，使它们能够在地幔中循环数十亿年，而不会显着改变它们的化学成分。

科特雷尔说：“这一事实本身并不能证明任何事情，但它为这些样本作为真正的地质时间胶囊的可能性打开了大门，这些时间胶囊可以追溯到太古代。”

科学的解释和见解

为了探索可能解释杰克尔岭和西南印度岭收集的岩石的低氧化水平的地球化学情景，该团队在测量中应用了多种模型。 这些模型显示，他们在样品中测量到的低氧化水平可能是由于地球深处极热条件下的融化造成的。

这两条证据都支持这样的解释，即岩石的非典型特性代表了太古代时期地球深处融化产生的化学特征，当时地幔能够产生极高的温度。

此前，一些地质学家将低氧化水平的地幔岩石解释为太古代地幔氧化程度较低的证据，并且通过某种机制随着时间的推移它变得更加氧化。 提出的氧化机制包括由于气体流失到太空而导致氧化水平逐渐增加、俯冲作用对古代海底的再循环以及地核持续参与地幔化学。 但到目前为止，这种观点的支持者尚未就任何单一解释达成一致。

相反，新的发现支持这样的观点，即地球地幔的氧化水平数十亿年来基本保持不变，并且在一些地幔样本中看到的低氧化是在地球无法再产生的地质条件下出现的，因为它的地幔此后已经冷却。 所以，不是某种机制使地球的地幔 更多的 经过数十亿年的氧化，新研究声称太古代时代的高温形成了地幔的一部分 较少的 由于地球大气层自太古代以来已经冷却，因此不再能够产生氧化水平非常低的岩石。 科特雷尔说，地球大气层的冷却过程提供了一个更简单的解释：地球不再像过去那样制造岩石。

科特雷尔和她的同事现在正在通过模拟实验室中古细菌中发现的极高压力和温度，寻求更好地了解形成杰基尔山脉和西南印度山脉的太古代地幔岩石的地球化学过程。

参考文献：《橄榄岩中极低氧合记录的深层、炎热、古老的熔化》作者：Susan K. 伯纳、伊丽莎白·科特雷尔和弗雷德·A. 戴维斯和杰西卡·M. 沃伦，2024 年 7 月 24 日， 自然。
DOI：10.1038/s41586-024-07603-s

除了伯纳和科特雷尔之外，这项研究的共同作者还有明尼苏达大学德卢斯分校的弗雷德·戴维斯和特拉华大学的杰西卡·沃伦。

该研究得到了史密森学会和国家科学基金会的支持。