眾所周知，地球上的生命與地球的地質(zhì)環(huán)境是相互交織的，而一項(xiàng)新的研究為這種交織到底有多么深刻提供了全新的證據(jù)。
來(lái)自加州理工學(xué)院和加州大學(xué)伯克利分校的地球科學(xué)家在火成巖（巖漿巖）中發(fā)現(xiàn)了一種化學(xué)特征，火成巖歷經(jīng)了地幔這個(gè)熔爐被保存了下來(lái)，記錄著地球深海中氧化過(guò)程的開(kāi)端。
人們對(duì)氧化事件有著極大的興趣，因?yàn)樗鼧?biāo)志著具有豐富含氧量的現(xiàn)代大氣與海洋時(shí)代的開(kāi)端；而且科學(xué)家還認(rèn)為，正是因?yàn)檠趸录?，才使得海洋中的生物得以變得多樣化?/span>
研究人員將這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了4月的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。這些結(jié)果支持了一個(gè)關(guān)于島弧（大陸邊緣連綿呈弧狀的一長(zhǎng)串島嶼）巖漿的地球化學(xué)理論，并提供了一個(gè)罕見(jiàn)的例子來(lái)表明，地球表面的生物過(guò)程會(huì)對(duì)地球內(nèi)部產(chǎn)生影響。
當(dāng)一個(gè)海洋構(gòu)造板塊在俯沖作用下滑動(dòng)到另一個(gè)板塊下面時(shí)，就會(huì)形成島弧。俯沖的板塊會(huì)下沉，并向覆蓋在上層的地幔中注入富含水分的液體，從而導(dǎo)致上層地幔熔化并形成巖漿，最終上升到地球表面。這個(gè)過(guò)程會(huì)形成火山島弧，正如我們現(xiàn)在在一些日本的島嶼和其他環(huán)太平洋火山帶中所看見(jiàn)的那樣。最終，通過(guò)板塊構(gòu)造，島弧與大陸發(fā)生碰撞后并入大陸，然后在跨越了漫長(zhǎng)地質(zhì)年代的巖石記錄中被保存下來(lái)。
○ 1.深海中的氧氣與海洋地殼中的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；2.海洋地殼通過(guò)板塊構(gòu)造俯沖入地幔，使覆蓋在上層的地幔氧化；3.地幔融化產(chǎn)生巖漿，巖漿上升到地球表面的火山島；4.凝固的巖漿保留了氧化的特征。| 圖片來(lái)源：[1]
最為豐富的火成巖是玄武巖，這種顏色深沉而顆粒細(xì)膩的巖石常常出現(xiàn)在熔巖流中?，F(xiàn)如今，地球上的大多數(shù)玄武巖并不是形成于島弧之中，而是在深海的大洋中脊上。這兩種方式形成的玄武巖具有一個(gè)顯著的差異，那就是島弧玄武巖的氧化程度比大洋中脊玄武巖更高。
有一種假設(shè)認(rèn)為，這種差異是因?yàn)楹Ｑ蟮貧ぴ诟_進(jìn)入地幔之前，會(huì)被深海中的氧和硫酸鹽氧化，從而將氧化物質(zhì)輸送到俯沖帶上方的形成島弧的地幔源。這是解釋這種差異的一個(gè)主要假說(shuō)，然而它也充滿爭(zhēng)議。
科學(xué)家認(rèn)為，地球的大氣和深海中并不是一直都含氧的。相反，他們認(rèn)為氧氣的出現(xiàn)（繼而讓地球得以維持有氧的生命）分兩個(gè)步驟：第一次氧化事件大約發(fā)生在23億到24億年前，這次事件讓大氣中氧氣的含量增加了10萬(wàn)多倍，達(dá)到了現(xiàn)代水平的1%左右。盡管此時(shí)大氣中的氧氣濃度已經(jīng)比之前提高了許多，但它仍然太低，不足以使深海氧化。
科學(xué)家認(rèn)為，深海曾一直處于缺氧狀態(tài)，直到大約4億到8億年前，大氣中的氧氣濃度才再次出現(xiàn)上升，達(dá)到了現(xiàn)代水平的10%到50%。正是這第二次的氧氣濃度飛躍，才使得氧氣循環(huán)進(jìn)入深海。
○ A.在缺氧的深海環(huán)境中，沒(méi)有氧化物質(zhì)傳遞到地幔源，因而島弧火成巖中的含氧物質(zhì)較少。B.在氧化事件之后的深海環(huán)境中，氧化物質(zhì)會(huì)傳遞到地幔源，因而島弧火成巖中的含氧物質(zhì)較多。| 圖片來(lái)源：[2]
論文的第一作者Daniel Stolper解釋說(shuō)：“如果現(xiàn)代島弧氧化程度之所以高的原因，是因?yàn)樯詈Ｖ写嬖谌芙獾难鹾土蛩猁}的話，那么這就提出了一個(gè)潛在的有趣預(yù)測(cè)。我們大致知道深海是在何時(shí)開(kāi)始含氧的，因此，如果這個(gè)想法正確，那么人們就可能會(huì)看到一個(gè)古老的島弧巖石的氧化程度，在這一次氧化事件之前和之后出現(xiàn)了怎樣的變化?！?/span>
地質(zhì)學(xué)家Claire Bucholz研究的是現(xiàn)代和古代島弧巖漿巖石，為了尋找這次氧化事件在島弧火成巖中留下的痕跡，Stolper選擇與Bucholz合作。他們梳理了已經(jīng)發(fā)表的古老島弧記錄，收集整理了大量地球化學(xué)的測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)揭示了數(shù)千萬(wàn)至數(shù)十億年前噴發(fā)形成的島弧巖石的氧化狀態(tài)。他們的想法很簡(jiǎn)單：如果來(lái)自地表的氧化物質(zhì)俯沖并氧化了后來(lái)形成島弧巖石的地幔區(qū)域，那么古老的島弧巖石就應(yīng)該比現(xiàn)代島弧巖石的氧化程度更低。
Bucholz 說(shuō)：“過(guò)去，科學(xué)家會(huì)定量測(cè)定他們收集到的巖石樣品中的鐵的氧化狀態(tài)；而這種做法現(xiàn)在已經(jīng)不常見(jiàn)了，所以有大量的數(shù)據(jù)等著我們?nèi)ブ匦驴疾?。?/span>
他們的分析揭示了一個(gè)明顯的特征：在8億到4億年前，塊狀巖石樣品中的鐵氧化物呈現(xiàn)出了可被檢測(cè)到的增長(zhǎng)現(xiàn)象，這一時(shí)間段也正是一些其他研究提出的深海中出現(xiàn)氧化作用的時(shí)間段。
為了嚴(yán)謹(jǐn)起見(jiàn)，Bucholz和Stolper還探索了這些痕跡的其他可能解釋。例如，科學(xué)家通常假定，塊狀巖石中的鐵的氧化物可能會(huì)由于變質(zhì)過(guò)程（巖石的加熱和擠壓）或者那些在地表及地表附近改變巖石的過(guò)程而受到損害。
他們?cè)O(shè)計(jì)了一系列檢測(cè)來(lái)確定這些過(guò)程是否影響了巖石記錄。結(jié)果表明，幾乎可以肯定有一些變化確實(shí)發(fā)生了，但在樣本的各處不同地方，這些變化都是一致的。Bucholz表示：“在（巖漿）冷卻和凝固后，樣品中的鐵氧化物的含量或許發(fā)生了變化，但在所有樣品中似乎都發(fā)生了類似的變化?！?/span>
此外，Bucholz和Stolper還編制了另一個(gè)指標(biāo)，來(lái)反映形成島弧巖漿的地幔源的氧化狀態(tài)。這個(gè)獨(dú)立的記錄產(chǎn)生了與鐵氧化物的記錄類似的結(jié)果，這再次印證了他們的想法。在此基礎(chǔ)上，他們提出，深海氧化作用不僅影響了地球表面和海洋，而且還改變了一大類火成巖的地球化學(xué)性質(zhì)。
這項(xiàng)工作是對(duì)Bucholz之前研究的補(bǔ)充。在之前的研究中，Bucholz考察了與23億年前的第一次氧化事件相關(guān)的火成巖中礦物質(zhì)氧化特征的變化。她收集了一些沉積型花崗巖（S型花崗巖），這些花崗巖是在兩塊大陸碰撞時(shí)，沉積物被埋藏和加熱的過(guò)程中形成的，例如印度次大陸與亞洲碰撞形成喜馬拉雅山脈的過(guò)程。
Bucholz說(shuō)：”花崗巖是曾存在于地球表面的沉積物在融化后形成的。我想要驗(yàn)證的觀點(diǎn)是，沉積物中可能仍然保有地球上的氧含量的首次上升記錄，盡管它們已經(jīng)經(jīng)過(guò)加熱和融化形成了花崗巖。而事實(shí)確實(shí)如此?！?/span>
這兩項(xiàng)研究都說(shuō)明了地球地質(zhì)與地球上繁盛的生命之間的緊密聯(lián)系。Bucholz說(shuō)：”地球的演化與地球上生命的演化是相互交織的。不了解其中一個(gè)，我們也就無(wú)法了解另一個(gè)?！?/span>
參考鏈接：
[1] https://www.caltech.edu/about/news/how-life-earth-affected-its-inner-workings
[2] https://authors.library.caltech.edu/94682/8/8746.full.pdf
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