何永胜：深部碳循环驱动大气氧升高

发布时间：2019-05-29     作者：[科学研究院]    阅读：6次

　　现今地球的大气非常富含O₂，体积比约为21%。然而，地球的早期大气富含CO₂和CH₄，几乎没有O₂。人们认为大气中O₂的出现和升高，促进了动物的出现和复杂生物的演化。因此，探讨地球系统如何运作驱动大气O₂升高从而形成现今的宜居环境就成为地球科学领域中的热点和核心科学问题。   

　　地球大气的O₂含量主要通过两次大气氧升高事件达到现今的水平。目前已知的产生大量O₂的唯一方式是生物光合作用。随着光合作用的起源时间推至大气氧升高事件之前近数百个百万年，固体地球演化对大气氧气含量的缓冲和控制作用得到越来越多学者的关注。深部地球和地表间通过俯冲和岩浆作用存在巨量的变价元素交换，可能在大气氧升高过程中发挥重要作用，但相关的关键地质证据仍然很少。

　　铁（Fe）是深部地球中主要的变价元素，在自然界存在三种价态：Fe³⁺、Fe²⁺和Fe⁰。玄武岩的Fe同位素分馏与其自身和源区的Fe³⁺/∑Fe有关，可示踪深部地球向地表的氧化还原能力交换。我校何永胜副教授及其合作者精确测定了中国东部新生代玄武岩的Fe同位素组成。研究发现，这些玄武岩中普遍存在高Fe³⁺/∑Fe岩浆组分，其源区氧化和再循环碳酸盐在深部（> 300 km）地幔交代有关，存在3Fe²⁺ à 2Fe³⁺ + Fe⁰; CO₂ + 2Fe⁰ à C + 2Fe²⁺O; 即CO₂ (碳酸盐) + 4FeO à C (金刚石) + 2Fe₂O₃ (氧化剂)的系列反应。源区的Fe³⁺在地幔熔融时，优先进入玄武岩，形成高Fe³⁺/∑Fe岩浆组分，而还原剂C作为金刚石被留在地球深部。　　

　　以上研究，证实了现今地球存在深部碳循环驱动的地球深部向浅表的净氧迁移机制，即CO₂ (碳酸盐) à C (金刚石) + O₂ (氧化剂释放地表)。该净氧迁移机制的效率与地表碳酸盐通过俯冲带进入深部地幔的通量（取决于地温梯度）有关，随着俯冲带的发育和地温梯度显著降低而升高，应促进了地球大气从早期富CO₂向现今富O₂的状态演化。　　

　　上述成果发表在国际著名学术刊物《Earth and Planetary Science Letters》上：He Y.S., Meng X.N., Ke S., Wu H.J., Zhu C.W., Teng F.-Z., Hoefs J., Huang J., Yang W., Xu L.J., Hou Z.H., Ren Z.-Y., Li S.G., A nephelinitic component with unusual δ⁵⁶Fe in Cenozoic basalts from eastern China and its implications for deep oxygen cycle. Earth and Planetary Science Letters, 512: 175-183.