中国科学家在地球深处发现隐藏氧气来源：高压实验显示硅酸盐熔体可储存超 5% 额外氧

IT之家 10 月 23 日消息，地球大气中的氧气从何而来，绝大部分人都会说光合作用。但一项新研究提出，在地球历史的某个关键节点，岩浆本身可能也曾充当过重要的氧气搬运工。 中国学者发表在《国家科学评论》上的一项高压实验与模拟研究显示，硅酸盐熔体在高压下能够容纳远超传统化学计量预期的“额外氧”，这些氧随岩浆上升、压力降低而被逐步释放，为理解约 25 亿至 20 亿年前大气氧含量的第一次大幅上升提供了一条此前未被纳入考量的深部路径。 传统上，地球科学家计算岩浆中的氧含量，依据的是硅、镁、铁等主要元素的丰度和价态。氧在硅酸盐地幔中占原子总数的一半以上，但绝大部分被化学键固定，其数量被认为完全由这些阳离子的“配方”决定。 与水和二氧化碳不同，氧本身长期不被视为一种可以独立溶解在岩浆中的挥发性组分。由北京高压科学研究中心（HPSTAR）林彦好研究员与毛河光院士领衔，联合西北工业大学牛海洋教授及阿姆斯特丹自由大学 Wim van Westrenen 教授的团队，对这一默认假设进行了直接检验。 研究团队在实验室中合成了洋中脊玄武岩，在 1200 至 1800 摄氏度、1 个大气压至 7 吉帕斯卡的范围内进行熔融实验。7 吉帕斯卡约相当于 100 万磅每平方英寸的压力，接近上地幔的部分条件。为制造富氧环境，他们在部分样品中加入了氧化铂，随后将熔体快速冷却为玻璃，并测量其元素组成、水含量和二氧化碳含量，从中剥离出“化学计量必需氧”与“挥发分中的氧”，剩余部分被定义为“额外氧”。 结果呈现出清晰的压强依赖：在 1 个大气压下，额外氧接近于零；当压力升至 7 吉帕斯卡时，额外氧超过了样品重量的 5%，精确值为 5.2 ± 0.2 wt.%。作为对照，未添加氧化铂的同等温压实验仅产出 0.2% 至 0.5 wt.% 的额外氧。 一个关键问题是，这些多出来的氧究竟进入了熔体结构，还是仅仅以气泡形式被物理包裹。拉曼光谱检测未在玻璃中发现氧气的气态信号，表明额外氧已被结合进硅酸盐网络之中。 牛海洋团队基于深度神经网络原子间势的模拟进一步解释了这一容纳机制：随着氧含量升高，氧原子的电荷分布范围变宽，其中一小部分氧原子彼此之间形成了过氧化物型的键。模拟采用的简化镁-硅-氧体系给出的绝对氧含量低于玄武岩实验，但同样复现了氧储量随压力上升的趋势。由于部分氧可能在淬火过程中逃逸，实验测得的 5% 量级很可能只是熔体实际储存能力的下限。 这一发现的意义延伸到地表。在氧化性较强的地幔区域形成的岩浆，可以在深处装载大量额外氧；当它向上运移、压力下降时，熔体的储氧能力随之降低，过剩的氧便会被释放出来，氧化浅部地幔、地壳和大气。 研究作者指出，这一机制与地质记录中的一个时间重叠形成了呼应：大气氧含量在约 25 亿至 20 亿年前的大氧化事件（GOE）期间显著上升，而一些规模最大的大火成岩省（LIPs）也恰好在相近的时间窗口大规模喷发。 基于实验数据的粗略估算显示，如果那一时期喷发的岩浆仅释放出其重量 0.27% 的额外氧，就足以供应今天整个大气层中所含的氧气总量。这一数字与实验在 7 吉帕斯卡下测得的储氧能力相比并不苛刻，但需要注意的是，0.27% 是基于全球规模岩浆活动的量级推演，并非对某一次具体喷发的直接测量，其与实际地质过程的吻合程度仍有待后续工作检验。 IT之家附论文地址： https://doi.org/10.1093/nsr/nwag539

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