史密森尼国家自然历史博物馆（Smithsonian's National Museum of Natural History）的研究人员对据信至少有 25 亿年历史的岩石进行了一项新的分析，揭示了地球地幔（地壳下的一层）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了解，并有助于解决有关地球地质历史的长期科学争论。值得注意的是，这项研究提供的证据表明，地球大部分地幔的氧化状态在地质年代中一直保持稳定，这对其他研究人员之前关于重大转变的论断提出了质疑。
从北极附近的加克尔海脊采集的古代岩石薄片，在显微镜下拍摄，并在交叉偏振光下观察。视野宽度约为 14 毫米。分析岩石薄片有助于地质学家识别岩石中的矿物并确定其特征。分析结果揭示了岩石的矿物成分、质地和历史，例如岩石是如何形成的，以及随后经历的任何变化。研究人员利用这些来自地幔的古老岩石中矿物的鉴定和化学成分来确定这些岩石熔化的条件。资料来源：E. Cottrell，史密森尼学会
博物馆矿物科学系主任、国家岩石收藏馆馆长伊丽莎白-科特雷尔（Elizabeth Cottrell）是这项研究的共同作者，她说："这项研究告诉我们更多关于我们生活的这个特殊地方是如何形成的，它独特的表面和内部让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的形成和演变过程。"
这项发表在《自然》杂志上的研究主要针对一组从海底采集的岩石，这些岩石具有不同寻常的地球化学特性。也就是说，这些岩石显示出极度熔化的迹象，氧化程度极低；氧化是指原子或分子在化学反应中失去一个或多个电子。在其他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，它们的年代很可能可以追溯到至少 25 亿年前的阿基坦纪。此外，研究结果表明，自这些岩石形成以来，地球地幔总体上一直保持着稳定的氧化状态，这与其他地质学家之前的理论截然不同。
研究小组从海底挖出并研究的一块古老岩石。图片来源：Tom Kleindinst
科特雷尔说："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1万倍，我们提出的证据表明，这是因为它们是在地幔温度比今天高得多的阿新世时期在地球深处熔化的。其他研究人员试图解释今天地幔岩石中较高的氧化水平，认为在阿歇安时期和今天之间发生了氧化事件或变化。我们的证据表明，氧化水平的差异可以简单地用这样一个事实来解释：地球的地幔经过数十亿年的冷却，已经不再热到足以产生氧化水平如此之低的岩石。"
地质证据和研究方法
研究小组--包括研究的主要作者苏珊娜-伯纳（Suzanne Birner），她在美国国家自然历史博物馆完成了博士前期研究，现在是肯塔基州贝里亚学院的助理教授--开始了他们的研究，以了解地球固体地幔与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，在这两个洋脊上，构造板块正在分开，地幔被搅动到地表并产生新的地壳。
所研究的岩石是从北极附近的加克尔海脊和非洲与南极洲之间的西南印度洋海脊这两个地方采集的，它们是世界上扩张速度最慢的两个板块边界。与东太平洋隆起等火山遍布的快速扩张海脊相比，这些海脊的缓慢扩张速度意味着它们在火山方面相对平静。这意味着，从这些缓慢扩张的海脊收集到的岩石更有可能是地幔本身的样本。
2004 年，科考船克诺尔号在海上航行时的船尾。A 型框架结构承载着巨大的金属和链条水桶，水桶被下放到海面以下 1 万多英尺处，沿着海底拖动，以采集地质样本。图片来源：Emily Van Ark
当研究小组分析从这两个山脊收集到的地幔岩石时，他们发现这些岩石具有共同的奇怪化学性质。首先，这些岩石的熔化程度远远超过当今地球地幔的典型熔化程度。其次，这些岩石的氧化程度比大多数其他地球地幔样本要低得多。
为了达到如此高的熔化程度，研究人员推断，这些岩石一定是在地球深处的极高温度下熔化的。地球地质历史中唯一已知的高温时期是 25 亿至 40 亿年前的太古代。因此，研究人员推断，这些地幔岩石可能在太古代熔化过，当时地球内部的温度比现在高 360-540 华氏度（200-300 摄氏度）。
如此强烈的熔融状态可以保护这些岩石免于进一步熔融，从而改变其化学特征，使它们能够在地球地幔中循环数十亿年而不会显著改变其化学性质。
“仅凭这一事实并不能证明任何事情，”科特雷尔说。“但它为这些样本是来自太古代的真正地质时间胶囊打开了大门。”
为了探索可能解释在加克尔海脊和西南印度洋海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。这些模型显示，他们在样本中测得的低氧化水平可能是由地球深处极热条件下的熔融造成的。
这两个证据都支持这样的解释，即这些岩石的非典型特性代表了在地幔能产生极高温度的阿基坦时期地球深处熔化产生的化学特征。
以前，一些地质学家将氧化程度低的地幔岩石解释为证明阿基坦地球的地幔氧化程度较低，并通过某种机制随着时间的推移变得更加氧化。提出的氧化机制包括：由于气体流失到太空，氧化程度逐渐增加；通过俯冲作用回收旧海底；地核不断参与地幔地球化学。但是，迄今为止，这一观点的支持者还没有形成任何一种解释。
相反，新的研究结果支持这样一种观点，即地球地幔的氧化水平在数十亿年间基本保持稳定，在一些地幔样本中看到的低氧化水平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，新研究认为，不是某种机制使地球地幔在数十亿年的时间里变得更加氧化，而是阿凯安时期的高温使部分地幔的氧化程度降低。由于地球的地幔自阿新世以来已经冷却，因此无法再产生氧化程度超低的岩石。科特雷尔说，地球地幔冷却的过程提供了一个简单得多的解释：地球不再像以前那样制造岩石了。
科特雷尔和她的合作者现在正通过在实验室中模拟阿基坦时期极高的压力和温度，试图更好地了解形成加克尔海脊和西南印度洋海脊阿基坦地幔岩石的地球化学过程。
编译自/ScitechDaily