史密森尼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，揭示了地壳下地幔的化学历史。他们的发现加深了我们对地球最早地质过程的理解，并为关于地球地质历史的长期科学争论做出了贡献。值得注意的是，这项研究提供了证据，表明大部分地幔的氧化态在地质时间内保持稳定，挑战了其他研究人员之前关于重大转变的断言。
博物馆矿物科学系主任、国家岩石收藏馆馆长、该研究的共同作者Elizabeth Cottrell说：“这项研究告诉我们，这个我们生活的特殊地方是如何形成的，它独特的表面和内部使生命和液态水得以存在。”。“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是如何形成和进化的。”
这项发表在《nature》杂志上的研究主要关注从海底收集的一组具有异常地球化学性质的岩石。也就是说，这些岩石显示出熔融到极端程度的证据，氧化程度非常低；氧化是指原子或分子在化学反应中失去一个或多个电子。在进一步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，它们可能可以追溯到至少25亿年前的太古宙。此外，研究结果表明，与其他地质学家之前的理论相反，自这些岩石形成以来，地幔总体上保持了稳定的氧化状态。
作者说：“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10000倍，我们提供的证据表明，这是因为它们在太古宙时期在地球深处融化，当时地幔比现在热得多。”。“其他研究人员试图通过表明太古宙和今天之间发生了氧化事件或变化来解释今天地幔岩石中较高的氧化水平。我们的证据表明，氧化水平的差异可以简单地解释为地幔已经冷却了数十亿年，不再热到足以产生如此低氧化水平的岩石。”
研究小组-包括主要研究作者Suzanne Birner，她在国家自然历史博物馆完成了博士后研究，现在是肯塔基州Berea学院的助理教授-开始了他们的调查，以了解地球固体地幔和现代海底火山岩之间的关系。研究人员首先研究了从两个洋脊的海底挖出的一组岩石，在那里，构造板块正在散开，地幔正在搅动到地表并产生新的地壳。
研究岩石采集的两个地方，北极附近的盖克尔脊和非洲与南极洲之间的西南印度洋脊，是世界上扩张最慢的两个构造板块边界。与东太平洋海隆等火山分布较快的海脊相比，这些海脊的缓慢扩张速度意味着它们在火山活动方面相对安静。这意味着从这些缓慢扩张的山脊上采集的岩石更有可能是地幔本身的样本。
当研究小组分析他们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性质。首先，这些岩石的融化程度比今天地幔的典型程度要大得多。其次，这些岩石的氧化程度远低于大多数其他地幔样本。
为了达到如此高的融化程度，研究人员推断，这些岩石一定是在非常高的温度下在地球深处融化的。地球地质史上唯一已知的高温时期是在25亿至40亿年前的太古宙。因此，研究人员推断，这些地幔岩石可能是在太古宙时期融化的，当时地球内部比现在热360-540华氏度（200-300摄氏度）。
如此极端的融化可以保护这些岩石免受进一步融化的影响，而进一步融化可能会改变它们的化学特征，使它们在地幔中循环数十亿年而不会显著改变其化学性质。
为了探索可能解释在盖克尔海脊和西南印度洋脊收集的岩石氧化水平低的地球化学情景，该团队将多种模型应用于他们的测量。这些模型揭示，他们在样本中测量的低氧化水平可能是由于地球深处极端高温条件下的融化造成的。
这两条证据都支持这样的解释，即岩石的非典型性质代表了太古宙时期地幔可能产生极高温度时在地球深处融化的化学特征。
此前，一些地质学家将低氧化水平的地幔岩石解释为太古宙地幔氧化程度较低的证据，并通过某种机制随着时间的推移而变得更加氧化。拟议的氧化机制包括由于气体流失到太空而导致的氧化水平逐渐增加，俯冲导致旧海底的再循环，以及地核持续参与地幔地球化学。但是，到目前为止，这一观点的支持者还没有围绕任何一种解释达成一致。
相反，新的发现支持了这样一种观点，即地幔的氧化水平在数十亿年来基本保持稳定，一些地幔样本中出现的低氧化是在地球无法再产生的地质条件下产生的，因为地幔已经冷却。因此，这项新研究认为，太古宙的高温使地幔的一部分氧化程度降低，而不是通过某种机制使地幔在数十亿年内氧化程度更高。由于自太古宙以来地幔已经冷却，它不能再产生具有超低氧化水平的岩石。作者说，地球地幔冷却的过程提供了一个更简单的解释：地球根本不像以前那样制造岩石。
参考文献：Deep, hot, ancient melting recorded by ultralow oxygen fugacity in peridotites” by Suzanne K. Birner, Elizabeth Cottrell, Fred A. Davis and Jessica M. Warren, 24 July 2024, Nature.
