从地核到地壳:岩浆氧化在地球形成过程中的意义

地球的大气层和地幔氧化态是如何变化的?行星内部和表面之间的联系对于理解行星表面环境的形成起着关键作用。岩石行星地幔中铁(Fe2+)和铁(Fe3+)的分布决定了地幔的氧化状态。这反过来又影响火山气体的成分和地幔储存挥发物的能力,包括氢和碳等生命必需的关键元素。

早期地球地幔的高度氧化可能导致了类似金星的地表环境。上地幔目前的状态可能受到了地球形成后加入的金属铁的影响。

因此,在地幔形成后立即确定地幔中 Fe2+ 和 Fe3+ 的分布情况,对了解生命出现前的地表环境和宜居行星的起源至关重要。

从地核到地壳:岩浆氧化在地球形成过程中的意义

图片下部的暗区显示的是结晶的桥粒石,上部的树枝状纹理显示的是淬火熔体。资料来源:爱媛大学地球动力研究中心

前期研究和新发现

在之前的研究中,科学家们发现地球的岩浆海洋比现在的上地幔富含更多的 Fe3+,因此具有高度氧化性(Kuwahara 等人,2023 年,Nat. Geosci.)。由此产生了一个问题: 上地幔的氧化态是如何降低到我们今天所观察到的程度的呢?为了找到答案,科学家们探索了在岩浆海洋的结晶阶段,Fe3+融入下地幔的可能性。

研究结果表明,与共存的岩浆相比,下地幔最主要的矿物桥粒石的结晶过程中不会优先融入Fe3+。这表明,如果地球的岩浆海洋富含 Fe3+,那么早期地球的上地幔也是高度氧化的。这种高氧化地幔中的挥发物脱气形成的大气会富含二氧化碳和二氧化硫,从而形成类似金星的地表环境。

由于岩浆海洋结晶过程无法降低上地幔的氧化态,作者提出了地球形成后晚期生成物质中所含金属铁降低上地幔氧化态的看法。事实上,根据地幔中高度亲铁(亲铁)元素的丰度,晚期增生物质所提供的金属铁的数量与将上地幔的氧化态降低到现在所需的数量相当。

要验证这一假设,还需要对地幔的氧化态进行进一步的地质制约。

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