众所周知，地球上的生命与地球的地质环境是相互交织的，而一项新的研究为这种交织到底有多么深刻提供了全新的证据。
来自加州理工学院和加州大学伯克利分校的地球科学家在火成岩（岩浆岩）中发现了一种化学特征，火成岩历经了地幔这个熔炉被保存了下来，记录着地球深海中氧化过程的开端。
人们对氧化事件有着极大的兴趣，因为它标志着具有丰富含氧量的现代大气与海洋时代的开端；而且科学家还认为，正是因为氧化事件，才使得海洋中的生物得以变得多样化。
研究人员将这些发现发表在了 4 月的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。这些结果支持了一个关于岛弧（大陆边缘连绵呈弧状的一长串岛屿）岩浆的地球化学理论，并提供了一个罕见的例子来表明，地球表面的生物过程会对地球内部产生影响。
当一个海洋构造板块在俯冲作用下滑动到另一个板块下面时，就会形成岛弧。俯冲的板块会下沉，并向覆盖在上层的地幔中注入富含水分的液体，从而导致上层地幔熔化并形成岩浆，最终上升到地球表面。这个过程会形成火山岛弧，正如我们现在在一些日本的岛屿和其他环太平洋火山带中所看见的那样。最终，通过板块构造，岛弧与大陆发生碰撞后并入大陆，然后在跨越了漫长地质年代的岩石记录中被保存下来。
1.深海中的氧气与海洋地壳中的矿物质发生反应；2.海洋地壳通过板块构造俯冲入地幔，使覆盖在上层的地幔氧化；3.地幔融化产生岩浆，岩浆上升到地球表面的火山岛；4.凝固的岩浆保留了氧化的特征。 图片来源：[1]
最为丰富的火成岩是玄武岩，这种颜色深沉而颗粒细腻的岩石常常出现在熔岩流中。现如今，地球上的大多数玄武岩并不是形成于岛弧之中，而是在深海的大洋中脊上。这两种方式形成的玄武岩具有一个显著的差异，那就是岛弧玄武岩的氧化程度比大洋中脊玄武岩更高。
有一种假设认为，这种差异是因为海洋地壳在俯冲进入地幔之前，会被深海中的氧和硫酸盐氧化，从而将氧化物质输送到俯冲带上方的形成岛弧的地幔源。这是解释这种差异的一个主要假说，然而它也充满争议。
科学家认为，地球的大气和深海中并不是一直都含氧的。相反，他们认为氧气的出现（继而让地球得以维持有氧的生命）分两个步骤：第一次氧化事件大约发生在 23 亿到 24 亿年前，这次事件让大气中氧气的含量增加了 10 万多倍，达到了现代水平的1% 左右。尽管此时大气中的氧气浓度已经比之前提高了许多，但它仍然太低，不足以使深海氧化。
科学家认为，深海曾一直处于缺氧状态，直到大约 4 亿到 8 亿年前，大气中的氧气浓度才再次出现上升，达到了现代水平的 10% 到 50%。正是这第二次的氧气浓度飞跃，才使得氧气循环进入深海。
A.在缺氧的深海环境中，没有氧化物质传递到地幔源，因而岛弧火成岩中的含氧物质较少。B.在氧化事件之后的深海环境中，氧化物质会传递到地幔源，因而岛弧火成岩中的含氧物质较多。 图片来源：[2]
论文的第一作者Daniel Stolper解释说：“如果现代岛弧氧化程度之所以高的原因，是因为深海中存在溶解的氧和硫酸盐的话，那么这就提出了一个潜在的有趣预测。我们大致知道深海是在何时开始含氧的，因此，如果这个想法正确，那么人们就可能会看到一个古老的岛弧岩石的氧化程度，在这一次氧化事件之前和之后出现了怎样的变化。”
地质学家Claire Bucholz研究的是现代和古代岛弧岩浆岩石，为了寻找这次氧化事件在岛弧火成岩中留下的痕迹，Stolper 选择与 Bucholz 合作。他们梳理了已经发表的古老岛弧记录，收集整理了大量地球化学的测量数据，这些数据揭示了数千万至数十亿年前喷发形成的岛弧岩石的氧化状态。他们的想法很简单：如果来自地表的氧化物质俯冲并氧化了后来形成岛弧岩石的地幔区域，那么古老的岛弧岩石就应该比现代岛弧岩石的氧化程度更低。
Bucholz 说：“过去，科学家会定量测定他们收集到的岩石样品中的铁的氧化状态；而这种做法现在已经不常见了，所以有大量的数据等着我们去重新考察。”
他们的分析揭示了一个明显的特征：在 8 亿到 4 亿年前，块状岩石样品中的铁氧化物呈现出了可被检测到的增长现象，这一时间段也正是一些其他研究提出的深海中出现氧化作用的时间段。
为了严谨起见，Bucholz 和 Stolper 还探索了这些痕迹的其他可能解释。例如，科学家通常假定，块状岩石中的铁的氧化物可能会由于变质过程（岩石的加热和挤压）或者那些在地表及地表附近改变岩石的过程而受到损害。
他们设计了一系列检测来确定这些过程是否影响了岩石记录。结果表明，几乎可以肯定有一些变化确实发生了，但在样本的各处不同地方，这些变化都是一致的。Bucholz 表示：“在（岩浆）冷却和凝固后，样品中的铁氧化物的含量或许发生了变化，但在所有样品中似乎都发生了类似的变化。”
此外，Bucholz 和 Stolper 还编制了另一个指标，来反映形成岛弧岩浆的地幔源的氧化状态。这个独立的记录产生了与铁氧化物的记录类似的结果，这再次印证了他们的想法。在此基础上，他们提出，深海氧化作用不仅影响了地球表面和海洋，而且还改变了一大类火成岩的地球化学性质。
这项工作是对 Bucholz 之前研究的补充。在之前的研究中，Bucholz 考察了与 23 亿年前的第一次氧化事件相关的火成岩中矿物质氧化特征的变化。她收集了一些沉积型花岗岩（S型花岗岩），这些花岗岩是在两块大陆碰撞时，沉积物被埋藏和加热的过程中形成的，例如印度次大陆与亚洲碰撞形成喜马拉雅山脉的过程。
Bucholz 说：”花岗岩是曾存在于地球表面的沉积物在融化后形成的。我想要验证的观点是，沉积物中可能仍然保有地球上的氧含量的首次上升记录，尽管它们已经经过加热和融化形成了花岗岩。而事实确实如此。“
这两项研究都说明了地球地质与地球上繁盛的生命之间的紧密联系。Bucholz 说：”地球的演化与地球上生命的演化是相互交织的。不了解其中一个，我们也就无法了解另一个。“
参考链接：
[1] https://www.caltech.edu/about/news/how-life-earth-affected-its-inner-workings
[2] https://authors.library.caltech.edu/94682/8/8746.full.pdf