近日，四川大学原子与分子物理研究所地球物理研究室研究人员（甘波、张友君、蒋刚、黄钰倩、李孝红、王齐明和庄毓凯等）与成都理工大学（刘耘等），四川大学深地科学与教育部重点实验室以及流体物理研究所（李俊等）合作，采用冲击回收实验方法研究了地球俯冲板片中重要含水相-针铁矿（俗称铁锈，化学式：FeOOH）在高温高压下的热稳定性和脱挥发反应。结合考古学和地质学最新研究成果，通过地球动力学建模提出了地表氧浓度增加的地质模型，并且对地面和地球内部的水循环建模提供了重要数据（图1）。

 地球，作为太阳系内唯一孕育生命的星球，在很大程度上依赖于地球适宜的大气和水环境。但早期地球表面大气中的氧气含量几乎为零，直到在距今约23-25亿年前（太古代），大气中的氧气浓度开始大幅度增加（称为大氧化事件，GOE）。该事件对造就宜居的大气环境起到了重要作用，但具体原因目前尚不十分清楚。最早的海洋沉积物表明，广泛存在于38亿年前的Fe²⁺氧化微生物（FOM）可利用光能将二氧化碳固定到有机物中，同时产生三价的含水铁氧化物FeOOH并在海底富集。在直到约25亿年前，地球的板块构造活动剧烈增强，导致大量的FeOOH被俯冲进入地球内部。我们的实验发现，当该矿物俯冲到约900公里深的下地幔中部后会发生分解反应，产生赤铁矿和磁铁矿并同时释放水和氧气（图1）。这些地幔的化学反应可能会导致地幔的氧化还原状态发生改变，比如显著减少由地球内部向地球表面释放还原性气体（如甲烷，氢气等）的数量，进而可能显著减少蓝藻光合作用产生氧气被还原性气体的耗损量，使得大气氧含量出现净增加由此触发大氧化事件。此外，大氧化事件与许多大火成岩省（LIPs）的形成相契合，这可能导致由FeOOH分解产生的氧气通过地幔排气和火山喷发等地质活动直接进入地球大气，贡献地表氧浓度的增加。

图1. 图左为FeOOH高温高压相图，图右为FeOOH在地球内部的演变示意图 [Gan et al. GRL. 2021]

 该研究于2021年8月28日在著名地球物理学期刊《Geophysical Research Letters》（Nature Index，中科院一区）上发表。期刊审稿人认为该研究对于揭示大气氧浓度的形成和地幔环境变化有十分重要的意义。博士研究生甘波为论文第一作者，张友君副研究员为论文通讯作者，该研究得到国家自然科学基金（42074098）和中国地震局高压物理与地震科技联合实验室开放基金等资助。

全文链接：Bo Gan, Youjun Zhang*, Yuqian Huang, Xiaohong Li, Qiming Wang, Jun Li, Yukuai Zhuang, Yun Liu, and Gang Jiang, Partial deoxygenation and dehydration of ferric oxyhydroxide in Earth's subducting slabs. Geophysical Research Letters, 2021, 48, e2021GL094446. https://doi.org/10.1029/2021GL094446