地球大氣中的含氧量是地球能成為宜居星球的關鍵。大氣中的21%是由這種生命的關鍵元素組成的。但是在遙遠的過去，遠在25億至28億年前的新太古代，氧幾乎不存在。
那麼，地球大氣是如何變得含氧的？現在，一項發表在《自然·地球科學》的研究提出了一種新的可能：地球早期，至少有一部分氧來自地殼的運動和破壞。
太古宙的地球
從25億年前到40億年前的太古宙，佔據了我們星球三分之一的歷史。那時，像外星球一樣的地球是一個水世界，被綠色的海洋覆蓋，籠罩在甲烷的霧氣中，完全沒有多細胞生命的身影。
水世界的另一個奇特之處是它構造活動的性質。在現代地球上，占主導地位的構造活動被稱為板塊構造，洋殼（海洋之下的地球最外層）在被稱為俯衝帶的匯聚點沉入地幔（地殼和地核之間的區域）。
現代俯衝帶的一個特點是，它們與氧化的岩漿有關。這些岩漿是在氧化的沉積物和底層水（靠近洋底的密度大的冷水）在進入地幔時形成的，這就產生了具有高氧和水含量的岩漿。
然而，對於板塊構造是否早在太古時代就已出現，還存在相當大的爭議。先前人們一直認為，在海水和洋底岩石或沉積物沒有被氧化的情況下，太古宙岩漿不太可能被氧化。
這項新研究目標是為了測試，在太古宙的底層水和沉積物中，氧化物質的缺乏是否會阻止氧化岩漿的形成。
磷灰石晶體的實驗
研究人員從蘇必利省的阿伯蒂-瓦瓦綠巖帶收集到了26.7到27.5萬年前的花崗岩類的岩石樣本。蘇必利省是保存下來的最大的太古宙大陸，從馬尼托巴的溫尼伯到魁北克東部，綿延2000多千米。巨大的範圍讓研究人員得以調查整個新太古代產生的岩漿的氧化程度。
（圖/作者提供）
測量這些（通過岩漿或熔岩的冷卻和結晶形成的）岩漿岩的氧化狀態相當具有挑戰性。後結晶事件可能通過後來的變形、掩埋或加熱改變這些岩石。
因此，研究團隊決定研究一種被稱為磷灰石的礦物，它存在於這些岩石中的鋯石晶體中。鋯石晶體可以承受後結晶事件的極端溫度和壓力。它們保留了關於最初形成的環境的線索，併為岩石提供了精確的年齡記錄。
不到30微米寬的微小磷灰石晶體，差不多只有一個人體皮膚細胞大小，被困在了鋯石晶體中。磷灰石晶體含有硫，通過測量其中的硫含量，就可以確定磷灰石是否從氧化的岩漿中生長出來的。
團隊在美國伊利諾伊州阿貢國家實驗室的先進光子源同步加速器上，使用一種被稱為X射線吸收近邊緣結構譜（S-XANES）的專門技術，成功測量了原始太古宙岩漿的氧逸度，基本上就是其中自由氧的含量。
研究發現，岩漿中的硫含量最初為零左右，在27.05億年左右增加到了2000ppm。這表明，岩漿已經變得富含更多硫。此外，磷灰石中的S⁶⁺（一種硫的離子）佔據了主導地位，這說明，硫具有一種氧化的來源，這與鋯石晶體中的資料相吻合。
這些新發現表明，氧化岩漿確實在27億年前的新太古代形成。這些資料告訴我們，太古代海洋儲層中溶解氧的缺乏，並沒有阻止俯衝帶中富含硫的氧化岩漿的形成。這些岩漿中的氧一定來自其他來源，並最終在火山噴發時釋放到了大氣中。
他們還發現，這些氧化岩漿的出現，與蘇必利爾省和（西澳大利亞）伊爾岡克拉通的主要金礦化事件相關，證明了這些富氧源與全球世界級金屬礦床形成之間的聯繫。
顛覆認知的結論
這些氧化岩漿的影響遠超出了對早期地球地球動力學的理解。它證實了在新太古代岩漿岩中發現的岩漿，可以為27億年前發生俯衝和板塊構造提供證據。
雖然確切的機制還不清楚，但這些岩漿的出現表明，俯衝過程中，海水被帶入星球之下數百千米，產生了自由氧。然後，這使覆蓋其上的地幔氧化。
很有可能，太古宙的俯衝作用是地球氧化的一個意料之外的關鍵因素，27億年前的早期氧氣的揮發，以及大氧化事件，讓23.2至24.5億年前大氣中的氧含量增加了2%。
據我們所知，地球是太陽系中唯一具有板塊構造和活躍俯衝的地方，過去或現在都是如此。這項研究或許有機會部分解釋其他巖質行星上氧氣的缺乏，併為了解其他行星的環境帶來一些啟發。
#創作團隊：
編譯：Gaviota
排版：雯雯
#參考來源：
https://theconversation.com/where-did-the-earths-oxygen-come-from-new-study-hints-at-an-unexpected-source-191673
#圖片來源：
封面圖&首圖：Tim Bertelink, Wikimedia Commons, CC BY-SA
