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)了地幔這個熔爐被保存了下來，記錄著地球深海中氧化過程的開端。

人們對氧化事件有著極大的興趣，因為它標(biāo)志著具有豐富含氧量的現(xiàn)代大氣與海洋時代的開端；而且科學(xué)家還認(rèn)為，正是因為氧化事件，才使得海洋中的生物得以變得多樣化。

研究人員將這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了4月的《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。這些結(jié)果支持了一個關(guān)于島弧（大陸邊緣連綿呈弧狀的一長串島嶼）巖漿的地球化學(xué)理論，并提供了一個罕見的例子來表明，地球表面的生物過程會對地球內(nèi)部產(chǎn)生影響。

當(dāng)一個海洋構(gòu)造板塊在俯沖作用下滑動到另一個板塊下面時，就會形成島弧。俯沖的板塊會下沉，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。這個過程會形成火山島弧，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的那樣。最終，通過板塊構(gòu)造，島弧與大陸發(fā)生碰撞后并入大陸，然后在跨越了漫長地質(zhì)年代的巖石記錄中被保存下來。

○ 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，這種差異是因為海洋地殼在俯沖進入地幔之前，會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主要假說，然而它也充滿爭議。

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10萬多倍，達到了現(xiàn)代水平的1%左右。盡管此時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)進入深海。

○ A.在缺氧的深海環(huán)境中，沒有氧化物質(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。| 圖片來源：[2]

論文的第一作者Daniel Stolper解釋說：“如果現(xiàn)代島弧氧化程度之所以高的原因，是因為深海中存在溶解的氧和硫酸鹽的話，那么這就提出了一個潛在的有趣預(yù)測。我們大致知道深海是在何時開始含氧的，因此，如果這個想法正確，那么人們就可能會看到一個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)的測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)揭示了數(shù)千萬至數(shù)十億年前噴發(fā)形成的島弧巖石的氧化狀態(tài)。他們的想法很簡單：如果來自地表的氧化物質(zhì)俯沖并氧化了后來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：“過去，科學(xué)家會定量測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)不常見了，所以有大量的數(shù)據(jù)等著我們?nèi)ブ匦驴疾臁！?/span>

他們的分析揭示了一個明顯的特征：在8億到4億年前，塊狀巖石樣品中的鐵氧化物呈現(xiàn)出了可被檢測到的增長現(xiàn)象，這一時間段也正是一些其他研究提出的深海中出現(xiàn)氧化作用的時間段。

為了嚴(yán)謹(jǐn)起見，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由于變質(zhì)過程（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程而受到損害。

他們設(shè)計了一系列檢測來確定這些過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。”

此外，Bucholz和Stolper還編制了另一個指標(biāo)，來反映形成島弧巖漿的地幔源的氧化狀態(tài)。這個獨立的記錄產(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)。

這項工作是對Bucholz之前研究的補充。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，沉積物被埋藏和加熱的過程中形成的，例如印度次大陸與亞洲碰撞形成喜馬拉雅山脈的過程。

Bucholz說：”花崗巖是曾存在于地球表面的沉積物在融化后形成的。我想要驗證的觀點是，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)過加熱和融化形成了花崗巖。而事實確實如此?！?/span>

這兩項研究都說明了地球地質(zhì)與地球上繁盛的生命之間的緊密聯(lián)系。Bucholz說：”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，我們也就無法了解另一個。“

參考鏈接：

[1] https://www./about/news/how-life-earth-affected-its-inner-workings

[2] https://authors.library./94682/8/8746.full.pdf