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地球大气中的氧气量使其成为宜居行星。

百分之二十一的大气由这种赋予生命的元素组成。但在遥远的过去——早在2.8到25亿年前的新太古时代——这种氧气几乎不存在。

那么，地球的大气是如何变得含氧的呢？

我们的研究发表在《自然地球科学》上，增加了一种诱人的新可能性：至少一些地球早期的氧气来自构造源，通过地壳的运动和破坏。

太古宙地球

太古宙代表了我们星球历史的三分之一，从25亿年前到40亿年前。

这个外星地球是一个水世界，被绿色的海洋覆盖，笼罩在甲烷雾霾中，完全缺乏多细胞生命。这个世界的另一个陌生方面是其构造活动的性质。

在现代地球上，主要的构造活动被称为板块构造，其中海洋地壳 – 海洋下的地球最外层 – 在称为俯冲带的汇合点沉入地幔（地壳与其核心之间的区域）。

然而，关于板块构造是否在太古代运作存在相当大的争议。

现代俯冲带的一个特征是它们与氧化岩浆的关联。

这些岩浆是在氧化沉积物和底水（海底附近寒冷，密集的水）被引入地幔时形成的。这会产生含氧量和含水量高的岩浆。

我们的研究旨在测试太古代底水和沉积物中没有氧化物质是否可以防止氧化岩浆的形成。

在新太古岩浆岩中识别出这种岩浆可以提供俯冲和板块构造发生在27亿年前的证据。

实验

我们从苏必利尔省的阿比蒂比-瓦瓦子省收集了2750至26.7亿年前的花岗岩样本，这是保存最完好的太古代大陆，从曼尼托巴省温尼伯到魁北克远东地区绵延2，000多公里（1，243英里）。

这使我们能够研究整个新太古时代产生的岩浆的氧化水平。

测量这些岩浆岩的氧化状态 – 通过岩浆或熔岩的冷却和结晶形成 – 具有挑战性。结晶后事件可能通过后来的变形、掩埋或加热改变了这些岩石。

因此，我们决定研究这些岩石中锆石晶体中存在的矿物磷灰石。

锆石晶体可以承受结晶后事件的强烈温度和压力。它们保留了有关它们最初形成的环境的线索，并为岩石本身提供了精确的年龄。

小于 30 微米宽（人体皮肤细胞大小）的小磷灰石晶体被困在锆石晶体中。它们含有硫。通过测量磷灰石中的硫含量，我们可以确定磷灰石是否从氧化的岩浆中生长出来。

我们能够成功地测量原始太古代岩浆的氧逸度- 本质上是其中的游离氧量 – 使用一种称为X射线吸收近边缘结构光谱（S-XANES）的专门技术在伊利诺伊州阿贡国家实验室的高级光子源同步加速器。

从水中产生氧气？

我们发现岩浆硫含量最初约为零，在27.05亿年左右增加到百万分之2000。这表明岩浆变得更加富含硫。

此外，磷灰石中S6 （一种硫离子）的优势表明硫来自氧化源，与宿主锆石晶体的数据相匹配。

这些新发现表明，氧化岩浆确实形成于27亿年前的新太古时代。数据显示，太古宙海洋储层溶解氧的缺乏并没有阻止俯冲带形成富含硫的氧化岩浆。

这些岩浆中的氧气一定来自另一个来源，最终在火山喷发期间释放到大气中。

我们发现，这些氧化岩浆的发生与苏必利尔省和Yilgarn Craton（西澳大利亚州）的主要金矿化事件相关，证明了这些富氧来源与全球世界级矿床形成之间的联系。

这些氧化岩浆的含义超出了对早期地球地球动力学的理解。以前，人们认为太古宙岩浆不太可能被氧化，而海水和海底岩石或沉积物则不然。

虽然确切的机制尚不清楚，但这些岩浆的发生表明，俯冲过程，即海水被带入我们星球数百公里的地方，会产生游离氧。然后氧化上覆的地幔。

我们的研究表明，太古宙俯冲可能是地球氧合、27亿年前早期氧气喷发以及大氧化事件的一个重要、不可预见的因素，大氧化事件标志着大气中的氧气在 2.45 至 23.2 亿年前增加了 2%。

据我们所知，地球是太阳系中唯一一个过去或现在都有板块构造和活动俯冲的地方。这表明这项研究可以部分解释缺氧，并最终解释未来其他岩石行星上的生命。

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