微小的矿物包裹体描绘了地幔和大气之间的化学交换
利用同步加速器技术，科学家们通过 ESRF(极其辉煌的光源)研究古老岩浆中的锆石晶体中的磷灰石包裹体，揭示了有关大氧化事件的重要信息。研究结果发表在《自然地球科学》杂志上。
大约 24 亿年前，地球历史上发生了一个关键时刻：大氧化事件。在此期间，大气中积累了大量的氧气。氧气产量的激增导致大气成分发生巨大变化，改变了地球的化学成分。这一事件标志着氧气水平上升的转折点，使更复杂的多细胞生命形式得以发展，并从根本上重塑了地球的生态系统。
板块构造是地球表面、大气和地幔之间元素循环和交换的有效机制。当山脉通过与水和大气的相互作用而经历风化和侵蚀时，它们会分解成沉积物。然后，这些沉积物通过俯冲过程(一个构造板块沉入另一个构造板块之下)部分返回地幔。俯冲带上方地幔中岩浆的形成提供了一个独特的机会，可以通过同化俯冲沉积物中的物质来探索大气如何影响地幔，从而深入了解这种有趣的地质关系。
长期以来，科学家们一直试图研究大气与地幔之间的相互作用。在现代地球上完成这项任务已经很复杂，在早期地球上更是如此，当时大气和板块构造正在快速变化。由蒙彼利埃大学和朴茨茅斯大学领导的团队与 ESRF(欧洲同步加速器)合作，通过研究俯冲带锆石中的磷灰石包裹体找到了克服障碍的方法。
“2017 年，一篇关于矿物磷灰石的论文揭示，当它在还原条件下生长时，即几乎没有或根本没有用于化学反应的游离氧，它的硫会显示出非常特殊的特征。然而，如果它在氧化条件下结晶，磷灰石内的硫看起来会非常不同。这意味着磷灰石是氧化还原条件的代表”，蒙彼利埃大学 CNRS 博士后研究员、该论文的第一作者 Hugo Moreira 解释道。
Moreira 和同事决定探索锆石颗粒中磷酸盐矿物磷灰石的包裹体，这些锆石颗粒是在古代俯冲带形成的岩浆中结晶的，并使用最亮的 ESRF 的 X 射线吸收近边缘结构 (XANES) 测量了它们的硫价形态。同步加速器光源。
磷灰石中的硫掺入和形态本质上取决于岩浆的氧逸度，因此非常适合评估岩浆系统演化过程中的氧化态。“使用锆石中的磷灰石夹杂物而不是岩石基质中的磷灰石至关重要，因为夹杂物已被极其坚固的锆石晶体屏蔽，保留了其原始成分”，莫雷拉解释道。
实验结果表明，大氧化事件之前结晶的岩浆中的锆石中的磷灰石包裹体的硫氧化还原态相对降低，而大氧化事件之后，它们的氧化程度更高。对锆石的分析表明，这些岩浆具有相似的来源，并且较年轻的样本含有沉积物成分。总体而言，明确的含义是，受到日益氧化的大气影响的沉积物改变了地幔，并使岩浆的逸度转向更加氧化的条件。
“我们的研究表明，使用同步加速器 X 射线研究锆石中的磷灰石包裹体是限制关键岩浆参数的有力工具”，莫雷拉总结道。
该团队的下一步是研究在地球历史关键时期结晶的其他岩浆，例如新元古代氧化事件(开始于8.5亿年前)以及太古宙时期首次出现氧气迹象时。
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