研究为地球的崛起提供了新的线索

是使地球在太阳系行星中独特宜居的一部分，但令人惊讶的是，人们对是什么产生了这些巨大的行星地壳及其特殊特性知之甚少。

史密森尼国家自然历史博物馆的研究地质学家和岩石馆长伊丽莎白·科特雷尔(Elizabeth Cottrell)和主要研究作者梅根·霍利克罗斯(Megan Holycross)的新研究，前彼得·巴克研究员和国家科学基金会研究员，现在是康奈尔大学的助理教授，通过测试并最终消除一个流行的假设，加深了对地壳的理解，即为什么地壳的铁含量更低，氧化程度更高海洋地壳。地壳的贫铁成分是地球表面大部分地区作为旱地站在海平面以上的主要原因，使今天的陆地生命成为可能。

这项研究于今天(4月2018日)发表在《科学》杂志上，利用实验室实验表明，地球地壳典型的铁枯竭、氧化化学成分可能并非来自矿物石榴石的结晶，这是<>年提出的一种流行解释。

新地壳的组成部分从地球深处发出，被称为弧火山，这些火山位于俯冲带，海洋板块潜入板块下方。在石榴石对地壳铁耗尽和氧化状态的解释中，这些弧火山下方岩浆中石榴石的结晶从陆地板块中去除了未氧化的铁(科学家称之为还原铁或铁质)铁，同时耗尽了熔融的铁岩浆并使其更加氧化。

地球地壳相对于海洋地壳的铁含量低的主要后果之一是，它使的密度降低，浮力更大，导致板块位于地球地幔上比海洋板块更高。密度和浮力的这种差异是以陆地干燥而海洋地壳在水下的主要原因，也是为什么板块在俯冲带与海洋板块相遇时总是排在首位的原因。

石榴石对弧岩浆中铁消耗和氧化的解释令人信服，但科特雷尔说其中一个方面与她不符。

“你需要高压才能使石榴石稳定，你可以在地壳不那么厚的地方找到这种低铁岩浆，所以压力不是很高，”她说。

2018年，科特雷尔和她的同事们着手寻找一种方法来测试这些弧形火山深处的石榴石结晶是否确实对形成地壳的过程至关重要。为了实现这一目标，科特雷尔和霍利克罗斯必须找到在实验室中复制地壳的强烈热量和压力的方法，然后开发足够灵敏的技术，不仅可以测量铁含量，还可以区分铁是否被氧化。

为了重现弧火山下发现的巨大压力和热量，该团队在博物馆的高压实验室和康奈尔大学使用了所谓的活塞气缸压力机。液压活塞缸压力机的大小与迷你冰箱差不多，主要由非常厚实和坚固的钢和碳化钨制成。大型液压柱塞施加的力会对微小的岩石样品产生非常高的压力，大约一立方毫米的大小。该组件由围绕岩石样品的电绝缘体和热绝缘体以及圆柱形炉组成。活塞-气缸压力机和加热组件的组合允许进行实验，可以达到火山下非常高的压力和温度。

在13个不同的实验中，Cottrell和Holycross在压力和温度下从活塞缸压力机内的熔融岩石中培育出石榴石样品，旨在模拟地壳深处岩浆室内的条件。实验中使用的压力范围为1.5至3千兆帕 - 大约是15，000至30，000个地球大气的压力或比一罐苏打水内的压力高8，000倍。温度在950°C至1，230°C之间，足以融化岩石。

接下来，该团队从史密森尼国家岩石收藏馆和世界各地的其他研究人员那里收集了石榴石。至关重要的是，这组石榴石已经被分析过，因此它们的氧化和未氧化铁浓度是已知的。

最后，研究作者将他们实验中的材料以及从收藏中收集的材料带到伊利诺伊州美国能源部阿贡国家实验室的高级光子源。在那里，研究小组使用高能X射线束进行X射线吸收光谱，这种技术可以根据材料吸收X射线的方式告诉科学家材料的结构和组成。在这种情况下，研究人员正在研究氧化和未氧化铁的浓度。

具有已知氧化和未氧化铁比例的样品提供了一种检查和校准团队X射线吸收光谱测量的方法，并促进了与实验材料的比较。

这些测试的结果表明，石榴石没有从岩石样本中掺入足够的未氧化铁，以解释作为地球地壳组成部分的岩浆中存在的铁消耗和氧化水平。

“这些结果使石榴石结晶模型成为极不可能解释为什么弧火山的岩浆被氧化和铁耗尽的原因，”科特雷尔说。“更有可能的是，地壳以下的地幔条件正在设置这些氧化条件。

像许多科学结果一样，这些发现引发了更多的问题：“氧化或铁消耗是什么?科特雷尔问道。“如果不是地壳中的石榴石结晶，而是岩浆如何从地幔到达，那么地幔中发生了什么?他们的作品是如何修改的?

科特雷尔说，这些问题很难回答，但现在的主要理论是氧化硫可能正在氧化铁，现任彼得·巴克研究员正在博物馆的指导下进行调查。

这项研究是博物馆科学家将在博物馆新的“我们独特的星球”倡议下进行研究的一个例子，这是一项公私合作伙伴关系，支持对一些最持久和最重要的问题的研究，即是什么让地球变得特别。其他研究将调查地球液态海洋的来源以及矿物如何成为生命的模板。

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