史密森尼國家自然歷史博物館（Smithsonian's National Museum of Natural History）的研究人員對據信至少有 25 億年歷史的巖石進行了一項新的分析，揭示了地球地幔（地殼下的一層）的化學歷史。他們的發現加深了我們對地球最早地質過程的了解，並有助於解決有關地球地質歷史的長期科學爭論。值得註意的是，這項研究提供的證據表明，地球大部份地幔的氧化狀態在地質年代中一直保持穩定，這對其他研究人員之前關於重大轉變的論斷提出了質疑。
從北極附近的加克爾海脊采集的古代巖石薄片，在顯微鏡下拍攝，並在交叉偏振光下觀察。視野寬度約為 14 公釐。分析巖石薄片有助於地質學家辨識巖石中的礦物並確定其特征。分析結果揭示了巖石的礦物成分、質地和歷史，例如巖石是如何形成的，以及隨後經歷的任何變化。研究人員利用這些來自地幔的古老巖石中礦物的鑒定和化學成分來確定這些巖石熔化的條件。資料來源：E. Cottrell，史密森尼學會
博物館礦物科學系主任、國家巖石收藏館館長伊莉莎白-科特雷爾（Elizabeth Cottrell）是這項研究的共同作者，她說："這項研究告訴我們更多關於我們生活的這個特殊地方是如何形成的，它獨特的表面和內部讓生命和液態水得以存在。"這是我們人類故事的一部份，因為我們的起源都可以追溯到地球的形成和演變過程。"
這項發表在【自然】雜誌上的研究主要針對一組從海底采集的巖石，這些巖石具有不同尋常的地球化學特性。也就是說，這些巖石顯示出極度熔化的跡象，氧化程度極低；氧化是指原子或分子在化學反應中失去一個或多個電子。在其他分析和建模的幫助下，研究人員利用這些巖石的獨特性質表明，它們的年代很可能可以追溯到至少 25 億年前的阿基坦紀。此外，研究結果表明，自這些巖石形成以來，地球地幔總體上一直保持著穩定的氧化狀態，這與其他地質學家之前的理論截然不同。
研究小組從海底挖出並研究的一塊古老巖石。圖片來源：Tom Kleindinst
科特雷爾說："我們研究的古代巖石的氧化程度比典型的現代地幔巖石低1萬倍，我們提出的證據表明，這是因為它們是在地幔溫度比今天高得多的阿新世時期在地球深處熔化的。其他研究人員試圖解釋今天地幔巖石中較高的氧化水平，認為在阿歇安時期和今天之間發生了氧化事件或變化。我們的證據表明，氧化水平的差異可以簡單地用這樣一個事實來解釋：地球的地幔經過數十億年的冷卻，已經不再熱到足以產生氧化水平如此之低的巖石。"
地質證據和研究方法
研究小組--包括研究的主要作者蘇珊娜-伯納（Suzanne Birner），她在美國國家自然歷史博物館完成了博士前期研究，現在是肯塔基州貝裏亞學院的助理教授--開始了他們的研究，以了解地球固體地幔與現代海底火山巖之間的關系。研究人員首先研究了從兩個洋脊的海底挖出的一組巖石，在這兩個洋脊上，構造板塊正在分開，地幔被攪動到地表並產生新的地殼。
所研究的巖石是從北極附近的加克爾海脊和非洲與南極洲之間的西南印度洋海脊這兩個地方采集的，它們是世界上擴張速度最慢的兩個板塊邊界。與東太平洋隆起等火山遍布的快速擴張海脊相比，這些海脊的緩慢擴張速度意味著它們在火山方面相對平靜。這意味著，從這些緩慢擴張的海脊收集到的巖石更有可能是地幔本身的樣本。
2004 年，科考船克諾爾號在海上航行時的船尾。A 型框架結構承載著巨大的金屬和鏈條水桶，水桶被下放到海面以下 1 萬多英尺處，沿著海底拖動，以采集地質樣本。圖片來源：Emily Van Ark
當研究小組分析從這兩個山脊收集到的地幔巖石時，他們發現這些巖石具有共同的奇怪化學性質。首先，這些巖石的熔化程度遠遠超過當今地球地幔的典型熔化程度。其次，這些巖石的氧化程度比大多數其他地球地幔樣本要低得多。
為了達到如此高的熔化程度，研究人員推斷，這些巖石一定是在地球深處的極高溫度下熔化的。地球地質歷史中唯一已知的高溫時期是 25 億至 40 億年前的太古代。因此，研究人員推斷，這些地幔巖石可能在太古代熔化過，當時地球內部的溫度比現在高 360-540 華氏度（200-300 攝氏度）。
如此強烈的熔融狀態可以保護這些巖石免於進一步熔融，從而改變其化學特征，使它們能夠在地球地幔中迴圈數十億年而不會顯著改變其化學性質。
「僅憑這一事實並不能證明任何事情，」科特雷爾說。「但它為這些樣本是來自太古代的真正地質時間膠囊開啟了大門。」
為了探索可能解釋在加克爾海脊和西南印度洋海脊收集的巖石氧化水平低的地球化學情景，該團隊將多種模型套用於他們的測量。這些模型顯示，他們在樣本中測得的低氧化水平可能是由地球深處極熱條件下的熔融造成的。
這兩個證據都支持這樣的解釋，即這些巖石的非典型特性代表了在地幔能產生極高溫度的阿基坦時期地球深處熔化產生的化學特征。
以前，一些地質學家將氧化程度低的地幔巖石解釋為證明阿基坦地球的地幔氧化程度較低，並透過某種機制隨著時間的推移變得更加氧化。提出的氧化機制包括：由於瓦斯流失到太空，氧化程度逐漸增加；透過俯沖作用回收舊海底；地核不斷參與地幔地球化學。但是，迄今為止，這一觀點的支持者還沒有形成任何一種解釋。
相反，新的研究結果支持這樣一種觀點，即地球地幔的氧化水平在數十億年間基本保持穩定，在一些地幔樣本中看到的低氧化水平是在地球無法再產生的地質條件下產生的，因為地幔已經冷卻。因此，新研究認為，不是某種機制使地球地幔在數十億年的時間裏變得更加氧化，而是阿凱安時期的高溫使部份地幔的氧化程度降低。由於地球的地幔自阿新世以來已經冷卻，因此無法再產生氧化程度超低的巖石。科特雷爾說，地球地幔冷卻的過程提供了一個簡單得多的解釋：地球不再像以前那樣制造巖石了。
科特雷爾和她的合作者現在正透過在實驗室中模擬阿基坦時期極高的壓力和溫度，試圖更好地了解形成加克爾海脊和西南印度洋海脊阿基坦地幔巖石的地球化學過程。
編譯自/ScitechDaily
