从熔岩到生命 科学家探究地球早期高度氧化的岩浆海洋

从熔岩到生命科学家探究地球早期高度氧化的岩浆海洋研究提供了有关早期地球大气层的新见解，表明它是由氧化态比以前认为的更高的岩浆海洋中的脱气挥发物形成的。研究发现，早期地球岩浆海洋的Fe3+含量是今天上地幔的十倍，从而形成了富含二氧化碳和二氧化硫的大气层。陆地行星的大气层一直被认为是由内部的挥发物脱气形成的，其成分主要受地幔氧化态的控制。要了解地幔氧化态，地幔中亚铁（Fe2+）和铁（Fe3+）的丰度是关键，因为地幔氧化态随这两种铁氧化物的相对丰度而变化。图像中心的明亮区域表示淬火金属熔体，周围的灰色区域表示淬火硅酸盐熔体。样品被封装在石墨囊中，在加热实验中转变为金刚石。资料来源：爱媛大学地球动力研究中心地幔氧化状态和研究结果日本爱媛大学领导的一项实验研究表明，在相当于下地幔深度的高压条件下，金属饱和岩浆中通过Fe2+的氧化还原歧化形成Fe3+的效率比以前想象的要高。在这一反应中，Fe3+和金属铁（Fe0）由2Fe2+生成，Fe0偏析到地核中增加了残余岩浆中Fe3+的含量及其氧化态。实验结果表明，地核形成时地球岩浆海洋中的Fe3+含量比现在的上地幔高出约一个数量级。对早期地球岩浆洋的影响这表明岩浆洋在地核形成后的氧化性比现在的地幔强得多，这种高氧化性岩浆的挥发物脱气形成的大气应该富含二氧化碳和二氧化硫。此外，作者还发现，根据地质记录的推断，估计的地球岩浆海洋氧化态可以解释40多亿年前的哈代岩浆的氧化态。由于生物分子在富含二氧化碳的大气中的形成效率相当低，作者推测地球形成后还原物质的后期增殖在提供生物可用有机分子和形成宜居环境方面发挥了重要作用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378841.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378841.htm

从地核到地壳：岩浆氧化在地球形成过程中的意义

从地核到地壳：岩浆氧化在地球形成过程中的意义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。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。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383681.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383681.htm

地球史的秘密守护者：锆石帮助科学家揭示亿万年地质之谜

地球史的秘密守护者：锆石帮助科学家揭示亿万年地质之谜锆石是一种几乎与地球本身一样古老的矿物，它是时间的记录者，也是了解许多地质现象（如氧化状态）的化学窗口。通过确定形成这些碎屑锆石的岩浆的氧化水平，科学家们能够推断出地壳到地幔循环、风化和超大陆循环的开始时间。来源：中国科学出版社锆石是一种几乎与地球本身一样古老的矿物，在岩浆（熔岩）冷却时结晶，可在岩浆岩中发现微量锆石。岩浆的形成构成了地球上的山脉。通过与水和大气的相互作用，山脉分解成沉积物。锆石坚固又稳定，耐风化和侵蚀，很少会消失在历史中，因此沉积物中的这种矿物（所谓的"碎屑锆石"）最能让人了解地球的过去。锆石富含铀（U-Pb测定法），是时间的记录者，也是了解许多地质现象（如氧化态）的化学窗口。火成岩源锆石和沉积物源锆石的ΔFMQ移动平均值（未显示低于10%的比例）与超大陆汞齐化时间间隔。与沉积源相关的岩浆在大约600Ma的周期性中更为减少，并在26亿年时形成。来源：中国科学出版社研究小组采用了Loucks等人（2020年）的一种新方法来确定花岗岩岩浆的氧化态，该方法利用锆石中Ce、U和Ti的比率来跟踪地壳岩浆在地球历史上的氧化态变化，该计算方法不需要知道离子电荷，也不需要确定结晶温度、压力或母体熔体成分。"以前的方法包括Ce/Ce*和Eu/Eu*氧压计，但每种方法都有与温度、压力、主岩化学成分变化或测量Ce/Ce*和Eu/Eu*异常所需的REE元素精度有关的局限性"。来自西澳大利亚的BobLoucks说。这种改进的氧化仪能够更可靠地评估氧化状态的变化，现在可以从全球构造随时间变化的角度来解释氧化状态的变化。通过确定形成这些碎屑锆石的岩浆的氧化水平，科学家们能够推断出地壳到地幔循环、风化和超大陆循环的开始时间。关键的一点是，位于地球表面的岩石可以被带回到地幔深处（地表以下数百至数千公里处）。我们的数据表明，这种现象不仅发生在今天，而且可能已经持续了数十亿年。通过观察从地球早期、30亿年前的锆石到今天形成的锆石，我们发现它们形成时的岩浆氧化还原状态。碎屑锆石的氧化态（以ΔFMQ表示）在大约35亿年前升高，随后在过去30亿年中平均ΔFMQ>0，这表明大洋岩石圈在最终形成的俯冲带中被回收回地幔。研究表明，氧化还原态的下限在26亿年前急剧下降，标志着界限分明的大陆的形成和大洋岩石被埋回地球深部地幔。此外，研究人员还发现了氧化还原模式的周期性：每隔6亿年左右，大陆就会聚集在一起形成超级大陆，如冈瓦纳大陆、罗迪尼亚大陆、努拉大陆和苏比利亚大陆。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425023.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425023.htm

远古海洋和行星碰撞的遗迹 科学家揭开地球神秘"D"层的新面纱

远古海洋和行星碰撞的遗迹科学家揭开地球神秘"D"层的新面纱与完美的球体不同，D"层出人意料地错落有致。它的厚度因地而异，有些地区甚至完全没有"D"层--就像大陆高出地球海洋一样。这些有趣的变化吸引了地球物理学家的注意，他们将D"层描述为一个异质或非均匀区域。由胡青阳博士（高压科学与技术高等研究中心）和邓杰博士（普林斯顿大学）领导的一项新研究表明，"D"层可能起源于地球的早期。他们的理论基于"巨型撞击假说"（GiantImpacthypothesis），该假说认为一个火星大小的天体撞击了原地球，在撞击后形成了一个覆盖整个地球的岩浆海洋。他们认为，"D"层可能是这一巨大撞击留下的独特成分，可能蕴藏着地球形成的线索。邓杰博士强调，在这个全球岩浆海洋中存在大量的水。这些水的确切来源仍是一个争论不休的话题，人们提出了各种理论，包括通过星云气体和岩浆之间的反应形成，或由彗星直接输送。普遍的观点认为，水会随着岩浆的冷却而向岩浆海洋的底部集中。到最后阶段，最靠近地核的岩浆所含的水量可能与地球现今的海洋相当。海底岩浆海洋中的极端压力和温度条件创造了一种独特的化学环境，促进了水和矿物之间发生意想不到的反应。胡青阳博士解释说："我们的研究表明，这种含水岩浆海洋有利于形成一种富铁相，即过氧化铁镁。这种过氧化物的化学式为（Fe,Mg）O2，与下地幔中的其他主要成分相比，它对铁的偏好更为强烈。根据我们的计算，这种过氧化物对铁的亲和力可能会导致在几公里到几十公里厚的地层中积累以铁为主的过氧化物。"地核-地幔边界异质结构的形成这种富铁过氧化物相的存在将改变D"层的矿物组成，偏离我们目前的理解。根据新的模型，D"层的矿物将以一种新的组合为主：贫铁硅酸盐、富铁（铁、镁）过氧化物和贫铁（铁、镁）氧化物。这种以铁为主的过氧化物还具有低地震速度和高导电性，使其成为解释D"层独特地球物理特征的潜在候选物质。这些特征包括超低速度区和高电导率层，两者都是D"层众所周知的成分异质性的原因。研究结果表明，由岩浆海洋中的古水形成的富铁过氧化物在形成"D"层的异质结构方面发挥了至关重要的作用。这种过氧化物对铁的强烈亲和力在这些富铁斑块和周围地幔之间形成了鲜明的密度对比。从根本上说，它就像一个绝缘体，阻止它们混合，并有可能解释在下地幔底部观察到的长期异质性。这个模型与最近的数值建模结果非常吻合，表明最下层地幔的异质性可能是一个长期存在的特征。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432963.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432963.htm

地质学家发现不仅是水 气态二氧化碳也能引发火山爆发

地质学家发现不仅是水气态二氧化碳也能引发火山爆发这项研究更清晰地展示了地球深层的内部动态和组成，对改善火山灾害规划具有重要意义，研究成果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。资深作者、康奈尔大学工程系地球与大气科学系CharlesN.Mellowes工程学教授EstebanGazel说："我们过去一直认为所有的活动都发生在地壳中。我们的数据意味着岩浆直接来自地幔--快速穿过地壳--由二氧化碳的外溶解（气体与液体分离的过程阶段）驱动。"Gazel说："这完全改变了之前所认为的火山爆发的模式。所有的火山模型都是以水为主要喷发动力，但水与这些火山的关系不大。是从地球深处带来岩浆的是二氧化碳。"大约四年前，加泽尔和22岁的博士夏洛特-德维特（CharlotteDeVitre，现为加州大学伯克利分校博士后研究员）为拉曼光谱（一种通过显微镜检查散射光子的设备）开发了一种高精度二氧化碳密度计（在一个微小的容器中测量密度）。自然样本富含二氧化碳的微小气泡被困在火山喷发产生的晶体中，研究人员通过拉曼光谱进行测量，并应用新开发的密度计进行量化。从本质上讲，科学家们正在研究一个微型时间胶囊，以提供岩浆的历史。这项新技术对于近乎实时地精确估算岩浆储量至关重要，加泽尔的研究小组在2021年加那利群岛拉斯帕尔马斯火山爆发期间对这项技术进行了测试。此外，科学家们还开发了评估激光加热对富含二氧化碳的包裹体（发现包裹在晶体中）的影响的方法，以及精确评估熔融包裹体和气泡体积的方法。他们还开发了一种实验再加热方法，以提高精确度，并适当考虑气泡内碳酸盐晶体中捕获的二氧化碳。Gazel说："开发和仪器设计的方法极具挑战性，尤其是在大流行病最严重的时期。"利用这些新工具，科学家们仔细检查了大西洋塞内加尔以西佛得角佛戈火山的火山沉积物。他们发现，镁铁硅酸盐晶体中包裹的微小熔体包裹体中含有高浓度的挥发性物质。晶体中较高的二氧化碳含量表明，岩浆储存在地表以下数十公里处--地球的地幔中。研究小组还发现，这一过程与供应这些火山的深地幔源有关。论文称，这意味着像福戈火山爆发这样的火山喷发是从地幔开始和供给的，有效地绕过了地壳中的储存，并由深层二氧化碳驱动。"这些岩浆粘度极低，直接来自地幔。因此，在这里，粘度和水不能像在较浅和/或较硅（富含二氧化硅）的火山系统中那样发挥常见的作用。相反，在福戈火山，岩浆必须在二氧化碳的推动下快速上升，这很可能在其爆炸行为中起到重要作用。这是我们了解玄武岩爆炸性控制因素的重要一步"。同时也是康奈尔大学阿特金森可持续发展中心研究员的Gazel说，了解岩浆储存有助于为未来的火山爆发做好最佳准备。他说："由于在熔体接近地表之前，深层岩浆储存不会被地面变形探测到，这对我们了解火山灾害有重要影响。我们需要了解这些火山爆发的驱动因素。现在看到这些过程的唯一方法是观测地震，但地震并不能告诉你到底发生了什么。有了精确的测量，告诉我们火山爆发从哪里开始，岩浆在哪里融化，在哪里储存，以及是什么触发了火山爆发，我们就能为未来的火山爆发制定更好的计划。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376075.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376075.htm

科学家发现超地球形成过程中的第一块基石：氧化镁

科学家发现超地球形成过程中的第一块基石：氧化镁高能激光实验将这种矿物的微小晶体置于岩石行星地幔深处的那种热量和压力之下，表明这种化合物可能是形成"超级地球"系外行星的岩浆海洋中最早凝固出来的矿物。"氧化镁可能是控制年轻超级地球热力学的最重要固体，"领导这项研究的约翰-霍普金斯大学地球与行星科学助理教授琼-威克斯说。"如果它具有如此高的熔化温度，那么当一颗炙热的岩石行星开始冷却，其内部分离为地核和地幔时，它将是第一个结晶的固体。"这些研究结果最新发表在《科学进展》（ScienceAdvances）上。他们认为，氧化镁从一种形态过渡到另一种形态的方式可能对控制年轻行星是雪球还是熔岩、是形成水海洋还是大气层、还是具有这些特征的混合体的因素有重要影响。威克斯说："在陆地超级地球中，这种物质将是地幔的重要组成部分，它的转变将极大地促进内部热量的快速流动，这将控制内部和行星其他部分随着时间的推移如何形成和变形。我们可以把它看作是这些行星内部的替代物，因为它将是控制其变形的物质，而变形是岩石行星最重要的组成部分之一"。在激光能量实验室的试验室内进行的冲击压缩氧化镁（MgO）的激光驱动实验。高功率激光束被用来将氧化镁样品压缩到超过地球中心的压力。辅助X射线源用于探测氧化镁的晶体结构。更亮的区域是纳秒级的发光等离子体发射。资料来源：JuneWicks/约翰-霍普金斯大学超级地球比地球大，但比海王星或天王星等巨行星小，是系外行星搜索的关键目标，因为它们在银河系的其他太阳系中很常见。威克斯说，虽然这些行星的成分可能从气体到冰或水不尽相同，但岩质超级地球预计会含有大量氧化镁，可以像在地球上一样影响行星的磁场、火山活动和其他关键地球物理。为了模拟这种矿物在行星形成过程中可能承受的极端条件，Wick的团队利用罗切斯特大学激光能量实验室的Omega-EP激光设备对小样本进行了超高压处理。科学家们还发射了X射线，并记录了这些光线在晶体上的反弹情况，以追踪它们的原子是如何随着压力的增加而重新排列的，特别是注意到它们在什么时候从固态转变为液态。当受到极度挤压时，氧化镁等材料的原子会改变排列方式，以承受挤压压力。这就是为什么随着压力的增加，这种矿物会从类似于食盐的岩盐"相"转变为类似于另一种叫做氯化铯的盐的不同构型。威克斯说，这种转变会影响矿物的粘度，并随着年龄的增长对地球产生影响。研究小组的研究结果表明，氧化镁可以在430到500千兆帕的压力和大约9700开尔文的温度（几乎是太阳表面温度的两倍）下以两种相态存在。实验还表明，这种矿物在完全熔化之前所能承受的最高压力高达600千兆帕，大约是人们在海洋最深处的海沟中所能感受到的压力的600倍。"氧化镁的熔化温度比任何其他材料或矿物都要高得多。钻石可能是最坚硬的材料，但这是最后融化的材料，"威克斯说。"说到年轻行星中的极端物质，氧化镁很可能是固态的，而地幔中悬浮的其他一切物质都会变成液态。"这项研究展示了氧化镁在极端压力下的稳定性和简易性，有助于科学家们开发更精确的理论模型，以探究氧化镁和其他矿物在像地球这样的岩石世界中的行为的关键问题。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435099.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435099.htm