新研究证实超基性岩的风化促进了地球大氧化事件

2021年12月20日，《自然·通讯》（Nature Communication）刊发文章《太古宙蛇纹石化程度的降低导致了大气氧浓度的上升》（Decreasing extents of Archean serpentinization contributed to the rise of an oxidized atmosphere），证实超基性岩的风化过程促进了地球大氧化事件（GEO）。

所谓大氧化事件（Great Oxygenation Event, GOE）是指约26亿年前，大气中的游离氧含量突然增加的事件。这一事件的具体原因尚不得知，只有若干种假说能加以解释。几十年来，研究人员一直试图了解GOE发生的原因和方式。研究早期科学家假设，氧气消耗可能比光合作用制氧更快，因此氧气无法在大气中积累。为了使GOE在这个假设下发生，氧气的消耗必须随着时间的推移而减慢，以便氧气可以在大气中积聚。基于此前提，来自美国亚利桑那州立大学研究人员着手确定哪些过程可以减缓早期地球上氧气的消耗，从而使得氧气积累增加。研究人员提出，岩石风化消耗氧气的速率的变化可能是导致这种结果的主要原因。为了验证上述假设，研究人员对富含镁和铁，但二氧化硅含量低的超镁铁质岩科马提岩（komatiite）的风化进行了研究。超镁铁质岩石是地球上地幔的主要组成，它们是在高温下形成的。当这些岩石被带到地表并与水接触时，构成这些岩石的无水矿物质会转化为含有水的矿物质。这个过程被称为蛇纹石化，其主要替代矿物是蛇纹石。该过程还将反应的地下水转化为具有较高气体含量的高碱性水，尤其是氢气。受早先在阿曼的超镁铁质山脉中发现的超碱性和富含气体的流体进行的研究的启发，研究人员提出了“当碱性和富含氢的流体与当前接近中性的地下水和河流一样普遍时，早期地球表面和大气会是什么样子”的疑问，并基于计算机模拟，预测了地球早期常见的数千种岩石成分的氢生成潜力。然后，在岩石成分与其产生氢气和消耗氧气的潜力之间建立联系。通过这些模拟，研究人员通过地球早期的蛇纹石化重建全球氢气产量和氧气消耗率，并证实超镁铁质岩石的风化可能有助于促进GOE。

研究人员认为，目前，由于超镁铁质岩石的暴露有限，在超镁铁质岩石蛇纹石化过程中通过Fe（II） 氧化产生的分子氢（H2）仅占全球O2汇的一小部分。相比之下，像科马提岩这样的超镁铁质岩石在早期地球中更为常见，通过蛇纹石化产生的氢气可能是在整个太古宙大部分地区保持无氧大气的一个可能因素。这些岩石具有非常高的产生氢气的潜力，并有助于防止氧气积聚。在太古代末期，地球表面超基性岩石丰度的下降可能有助于促进大氧化事件。

转载本文请注明来源及作者：中国科学院兰州文献情报中心《地球科学动态监测快报》2022年第3期，刘文浩 编译。