中国科学院最新研究：地幔氧逸度45亿年来保持稳定
中国科学院最新研究：地幔氧逸度45亿年来保持稳定
中国科学院海洋研究所最新研究揭示，地球地幔的氧化还原状态自冥古宙以来始终保持稳定。这一突破性发现发表在国际学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）上，为理解地球多圈层系统的协同演化提供了全新视角。
氧逸度：地球化学研究的关键参数
氧逸度（fO₂）是描述地球内部氧化还原状态的重要参数，它反映了系统中氧气的有效分压。在地球科学领域，氧逸度控制着地幔中挥发分的赋存形式和活动性，进而影响大气成分的演化。因此，研究地幔氧逸度的历史变化对于理解深部碳循环、大气演化乃至生命起源等重大科学问题具有重要意义。
创新提出“潜能氧逸度”概念
传统上，地幔氧逸度的研究主要依赖于幔源熔体的氧逸度分析。然而，这种方法存在一个显著问题：由于Fe³⁺在石榴子石中的稳定性随压力升高而升高，不同深度起源的熔体氧逸度会受到熔融深度的影响，难以直接对比。
为了解决这一难题，研究团队创新性地提出了“潜能氧逸度”（Potential Oxygen Fugacity）的概念。这一参数借鉴了“潜能温度”的定义思路，表示地幔在成分保持不变的情况下，假设其不发生熔融减压上升至1GPa时的氧逸度。通过这一参数，研究者能够直接对比不同深度起源岩浆的地幔源区氧化还原状态，从而更准确地约束地幔氧化还原状态的演化历史。
全球数据揭示地幔氧逸度长期稳定
研究团队收集整理了自3.8Ga（太古代）以来全球范围内的幔源岩浆数据，包括正常环境地幔衍生的玄武岩以及地幔柱衍生的科马提岩和苦橄岩。通过对这些数据的分析，研究者发现了一个令人惊讶的现象：太古宙岩浆的氧逸度显著低于太古宙之后的岩浆氧逸度。
进一步的研究揭示，这一差异并非由地幔固有氧逸度的变化引起，而是与地幔的热状态密切相关。数据显示，岩浆的氧逸度与地幔潜能温度和熔融压力之间存在明显的负相关关系（图2）。在太古宙时期，高地幔潜能温度导致了更深部的地幔熔融，这正是造成该时期岩浆氧逸度偏低的原因。
当研究者将所有幔源岩浆的氧逸度校正至“潜能氧逸度”后，一个惊人的事实浮出水面：无论是环境地幔还是地幔柱源区（下地幔），其氧逸度自冥古宙以来均保持不变（图3）。这一发现颠覆了此前对地幔氧化还原状态演化的认知，表明地幔的氧化还原状态在地球45亿年的演化历程中始终维持在一个相对稳定的水平。
研究意义与未来展望
这一发现不仅为理解地球多圈层系统的协同演化提供了新的视角，还对深部碳循环、大气成分演化等领域的研究具有重要启示。地幔氧逸度的长期稳定暗示着地球内部的氧化还原平衡可能受到某种未知机制的调控，这为进一步探索地球内部动力学过程开辟了新的研究方向。
该研究由中国科学院海洋研究所孙卫东课题组张方毅博士领衔，与意大利罗马大学Vincenzo Stagno副教授等合作完成。研究成果以“The constant oxidation state of Earth’s mantle since the Hadean”为题发表在Nature Communications，为地球科学领域提供了重要的理论支撑。