大约 24 亿年前，地球大气层经历了所谓的大氧化事件 (GOE)。在 GOE 之前，早期地球的分子氧比我们今天少得多。在 GOE 之后，氧分子开始大量增加，最终使像我们这样的生命成为可能。

几十年来，研究人员一直试图了解 GOE 发生的原因和方式。

由 James Andrew Leong 和 Tucker Ely 领导的一个科学家团队，他们都在 2020 年获得了亚利桑那州立大学 (ASU) 地球与太空探索学院的博士学位，以及 ASU 教授 Everett Shock 已经确定风化岩石可能对 GOE 做出了贡献。他们的结果最近发表在Nature Communications上。

分子氧由植物和光合微生物产生，但分子氧也被生物体以及岩石中的铁、硫、碳和其他元素的氧化所消耗。分子氧也可以通过与氢气等还原气体反应消耗，氢气可以在岩石风化过程中形成。

研究早期地球的科学家推测，氧气的消耗可能比光合作用产生氧气的速度更快，因此氧气无法在大气中积累。

亚利桑那州立大学地球与太空探索学院和该学院的合著者休克说：“这就像当你的账单超过你的收入时，钱就无法在储蓄账户中积累。这似乎是早期地球的情况。”分子科学。

在这个假设下，为了让 GOE 发生，氧气的消耗必须随着时间的推移而减慢，这样氧气才能在大气中积聚。

鉴于此，Leong 和他的团队着手确定哪些过程可以减缓早期地球上的氧气消耗，从而增加氧气。

“我们知道这可能不是生物消耗，它在跟上光合作用产生的氧气方面做得不错，”休克说。“所以我们认为，岩石风化消耗氧气的速度可能造成了这种变化。”

为了验证他们的假设，Leong 和他的团队专注于一种被称为“超基性”的岩石的风化，这是一种富含镁和铁的火成岩，二氧化硅含量低。

超镁铁质岩石构成了地球上地幔的大部分，它们是在高温下形成的。当这些岩石被带到地表并与水接触时，构成这些岩石的无水矿物质会转化为含有水的矿物质。这个过程被称为蛇纹石化，在主要替代矿物蛇纹石之后。该过程还将反应的地下水转化为具有较高气体含量的高碱性水;特别是氢气。

他们的灵感来自他们之前对在当今阿曼的超镁铁质山脉中发现的超碱性和富含气体的流体进行的研究，该研究于 2021年发表在 AGU 的《地球物理研究杂志》上。

“我们之前在阿曼的实地研究让我们想知道，当高 pH 值和富含氢的流体与今天接近中性 pH 值的地下水和河流一样普遍时，早期地球表面和大气会是什么样子，”Leong 说。“像在阿曼发现的那样的超镁铁质岩石目前在地球表面很少见，但在较热的早期地球期间却很丰富。”

为了进行分析，他们基于共同作者 Ely 开发的计算机代码进行了计算机模拟，以预测地球早期常见的数千种岩石成分的氢生成潜力。然后，他们可以在岩石成分与其产生氢气和消耗氧气的潜力之间建立联系。

通过这些模拟，该团队随后能够通过地球早期的蛇纹石化重建全球氢气产量和氧气消耗率，并确定超镁铁质岩石的风化可能有助于促进 GOE。

“我们能够模拟早期地球上可能存在的数千种岩石成分的变化，”Leong 说。“我们的计算表明，这些岩石中的许多，尤其是那些成分非常超镁铁质或富含镁的岩石，比如今天在阿曼发现的那些，具有很高的产生氢气并有助于防止氧气积累的潜力。丰度的下降太古宙末期地球表面 的超镁铁质岩石可能有助于促进大氧化事件。”