地球大陆独特化学反应的秘密

除了富含氧气的大气层和丰富的水资源外，地球的大陆也是地球独特宜居环境的一部分。尽管如此，人们对这些巨大的地壳碎片的形成原因以及它们的特殊性质知之甚少。一种流行的假设是，由于大陆地壳的铁含量低于海洋地壳，大陆地壳中铁含量低是地球表面大部分地区高于海平面、成为陆地生物的旱地的原因之一。

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然而，科学家发现，地球大陆地壳中铁含量不足的氧化化学物质可能并非来自石榴石矿物的结晶，正如 2018 年提出的一样。相反，该团队认为，其背后可能是氧化硫。他们于 5 月 4 日在《科学》杂志上发表了他们的研究结果

新的大陆地壳来自俯冲带中的大陆弧火山，例如太平洋西北部海岸的卡斯卡迪亚俯冲带。这些区域是海洋板块俯冲到大陆板块之下的地方。

2018 年，大陆地壳为何缺铁且易氧化的解释归结为石榴石（一组硅酸盐矿物）的结晶。根据这一理论，大陆弧火山下方岩浆中发现的石榴石正在从地球板块中去除未氧化的铁。与此同时，熔融的岩浆中铁元素耗尽，氧化程度更高。

石榴石对大陆弧岩浆中铁元素耗竭和氧化的解释，对研究合著者、史密森尼国家自然历史博物馆研究地质学家兼岩石馆长伊丽莎白·科特雷尔来说颇有说服力。然而，其中有一个方面她不太满意。

科特雷尔在一份声明中表示：“需要高压才能使石榴石稳定下来，而这种低铁岩浆出现在地壳不太厚的地方，因此压力也不是很高。”

五年前，康奈尔大学的科特雷尔和梅根·霍利克罗斯与同事开始寻找方法来测试弧火山下方的石榴石结晶是否对于大陆地壳的形成至关重要。

为了验证这一点，研究小组使用活塞式压力机重现了大陆弧火山下方的巨大压力和热量。在 13 个不同的实验中，研究小组在活塞式压力机内从熔岩中培养石榴石样本，压力和温度与地壳深处岩浆室内的条件相似——大约是一罐苏打水内压力的 8,000 倍。实验中的温度范围为 1,742 华氏度至 2,246 华氏度，足以熔化岩石。

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随后，研究小组使用了史密森尼国家岩石收藏馆和世界各地其他收藏馆中的石榴石，这些收藏馆中的氧化铁和未氧化铁的浓度是已知的。

随后，这些材料被送往美国能源部伊利诺伊州阿贡国家实验室的先进光子源。研究小组利用高能 X 射线束进行了 X 射线吸收光谱分析。这项技术可以根据材料吸收 X 射线的方式，让科学家了解材料的结构和成分。研究小组观察了氧化铁和未氧化铁的浓度，以检查和校准 X 射线吸收光谱测量结果，并将其与早期实验的材料进行比较。

他们发现，石榴石中含有的岩石样本中未氧化的铁不足以解释地球大陆地壳形成时岩浆中的铁耗竭和氧化程度。

“这些结果使得石榴石结晶模型成为解释大陆弧火山岩浆为何被氧化和铁耗尽的一个极不可能的解释，”科特雷尔说。“更有可能的是，大陆地壳下的地幔条件造成了这些氧化条件。”

这一发现引发了更多问题，例如铁的氧化和消耗在地壳中究竟起什么作用，以及是什么改变了地壳的成分。

主流理论认为，氧化硫可能会氧化铁，目前史密森尼学会正在对此进行研究。这项研究得到了史密森尼学会（我们独特的星球计划的一部分）、美国国家科学基金会、能源部和莱达·希尔基金会的资助。