眾所周知，地球上的生命與地球的地質環境是相互交織的，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。

　　來自加州理工學院和加州大學伯克利分校的地球科學家在火成巖（巖漿巖）中發現了一種化學特征，火成巖歷經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，因為它標志著具有豐富含氧量的現代大氣與海洋時代的開端；而且科學家還認為，正是因為氧化事件，才使得海洋中的生物得以變得多樣化。

　　研究人員將這些發現發表在了 4 月的《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。這些結果支持了一個關于島弧（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部產生影響。

　　當一個海洋構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，正如我們現在在一些日本的島嶼和其他環太平洋火山帶中所看見的那樣。最終，通過板塊構造，島弧與大陸發生碰撞后并入大陸，然后在跨越了漫長地質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發生反應；2.海洋地殼通過板塊構造俯沖入地幔，使覆蓋在上層的地幔氧化；3.地幔融化產生巖漿，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膩的巖石常常出現在熔巖流中?，F如今，地球上的大多數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。

　　有一種假設認為，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。

　　科學家認為，地球的大氣和深海中并不是一直都含氧的。相反，他們認為氧氣的出現（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，達到了現代水平的1% 左右。盡管此時大氣中的氧氣濃度已經比之前提高了許多，但它仍然太低，不足以使深海氧化。

　　科學家認為，深海曾一直處于缺氧狀態，直到大約 4 億到 8 億年前，大氣中的氧氣濃度才再次出現上升，達到了現代水平的 10% 到 50%。正是這第二次的氧氣濃度飛躍，才使得氧氣循環進入深海。

A.在缺氧的深海環境中，沒有氧化物質傳遞到地幔源，因而島弧火成巖中的含氧物質較少。B.在氧化事件之后的深海環境中，氧化物質會傳遞到地幔源，因而島弧火成巖中的含氧物質較多。 圖片來源：[2]

　　論文的第一作者Daniel Stolper解釋說：“如果現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了怎樣的變化。”

　　地質學家Claire Bucholz研究的是現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。他們梳理了已經發表的古老島弧記錄，收集整理了大量地球化學的測量數據，這些數據揭示了數千萬至數十億年前噴發形成的島弧巖石的氧化狀態。他們的想法很簡單：如果來自地表的氧化物質俯沖并氧化了后來形成島弧巖石的地幔區域，那么古老的島弧巖石就應該比現代島弧巖石的氧化程度更低。

　　Bucholz 說：“過去，科學家會定量測定他們收集到的巖石樣品中的鐵的氧化狀態；而這種做法現在已經不常見了，所以有大量的數據等著我們去重新考察。”

　　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出了可被檢測到的增長現象，這一時間段也正是一些其他研究提出的深海中出現氧化作用的時間段。

　　為了嚴謹起見，Bucholz 和 Stolper 還探索了這些痕跡的其他可能解釋。例如，科學家通常假定，塊狀巖石中的鐵的氧化物可能會由于變質過程（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。

　　他們設計了一系列檢測來確定這些過程是否影響了巖石記錄。結果表明，幾乎可以肯定有一些變化確實發生了，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生了變化，但在所有樣品中似乎都發生了類似的變化。”

　　此外，Bucholz 和 Stolper 還編制了另一個指標，來反映形成島弧巖漿的地幔源的氧化狀態。這個獨立的記錄產生了與鐵氧化物的記錄類似的結果，這再次印證了他們的想法。在此基礎上，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性質。

　　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的火成巖中礦物質氧化特征的變化。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，盡管它們已經經過加熱和融化形成了花崗巖。而事實確實如此。“

　　這兩項研究都說明了地球地質與地球上繁盛的生命之間的緊密聯系。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.caltech.edu/about/news/how-life-earth-affected-its-inner-workings

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

總結

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