地球氧逸度

地球是一个"氧化性"的星球。在太阳系所有行星中,只有地球大气中含有高浓度的O_2(约占21%)。研究表明,地球演化的早期,其大气组成与火星等类地行星相似,都是以CO_2为主,O_2含量可以忽略不计。在大约24-21亿年前,地球大气中O_2含量突然大幅度升高,一度超过现今O_2含量的1%,而后又在中元古代回落到现今O_2含量的0.1%以下。沉积物中氧化还原敏感元素的含量变化显示,大约6.3亿年前雪球地球结束之后,地球大气中的O_2含量再次大幅度升高至20%左右,而后在显生宙经历一系列复杂变化并最终演化至现今的水平。Re/Os比值显示,硅酸盐地球的氧逸度远高于月球,也高于火星。考虑到月球与地球分异发生在45亿年前,月球的低氧逸度暗示地球早期的氧逸度可能也较低。可以影响地球氧逸度的元素主要有O、H、Fe、S和C等。控制地球氧逸度变化的主要过程包括:核幔分异、板块俯冲和火山喷发去气等。在核幔分异以前,金属Fe可能是控制硅酸盐地球及其表生环境低氧逸度的关键因素。核幔分异过程中,Fe是控制氧逸度变化的关键元素。核幔分异将金属Fe与铁氧化物分开,造成地幔Fe~(3+)/Fe~(2+)比值升高。尤其是在下地幔,Fe~(2+)在高压下发生歧化反应,形成金属Fe和Fe~(3+)。其中Fe~(3+)赋存在布里奇曼石中,导致下地幔氧逸度低。在板块俯冲过程中,当有板片进入下地幔时,布里奇曼石会因体积补偿,被运移到上地幔,并发生分解,释放出Fe~(3+),导致周围地幔氧逸度的升高。但是,V/Sc和Zn/Fe等元素比值则显示在过去30多亿年以来,地幔的氧逸度变化不大,可能与上、下地幔间氧化还原缓冲层或者是上述元素比值对氧逸度不够敏感有关。在地球演化早期,金刚石是最早形成的矿物。由于金刚石的密度在上地幔高于地幔橄榄岩熔体,而在下地幔小于地幔橄榄岩熔体,因此在岩浆海阶段,金刚石倾向于在上地幔底部富集,成为一个富金刚石的储层。在板块俯冲阶段,这些金刚石会被布里奇曼石分解所释放的Fe~(3+)所氧化,形成富碳酸盐和CO:的层位,同时起到稳定上地幔氧逸度的作用。俯冲带地幔橄榄岩和岛弧火山岩的氧逸度均高于板内环境,因此一般认为板块俯冲会导致氧逸度升高。在板块俯冲过程中,氧逸度主要受到Fe和H_2O(水分解释放出H_2)的控制。蚀变大洋岩石圈中含有大量的H_2O,板块俯冲过程中脱水会导致地幔楔蛇纹石化。蛇纹石化过程会形成磁铁矿,释放出味,使局部在短时间内氧逸度降低。但是,由于H_2很容易逸散到大气中,而磁铁矿则保留在地幔楔中,其结果导致岩石中Fe~(3+)/Fe~(2+)比值升高,从而在发生部分熔融时形成高氧逸度岩浆。板块俯冲对氧逸度的影响是多方面的,还与俯冲板块的年龄、沉积物的性质等有关。对于富含有机物的沉积物俯冲过程,C是主要的氧逸度控制元素。在板块俯冲的浅部,有机物分解,释放出CH_4等还原性气体,造成上覆岩石圈氧逸度下降。富含铁锰结核等氧化性沉积物的俯冲则可以导致地幔楔氧逸度的升高,这一过程中Fe和Mn是控制氧逸度的主要元素。火山喷发可以释放出CH_4、CO_2、H_2S和SO_2等气体,也可以影响大气中O_2的含量。有研究认为,火山气体中的H_2S随岩浆房压力增加而增加,SO_2则随压力的增加而减少,因此岩浆房压力可以影响其排气的氧化-还原性,进而影响大气的O_2含量。一种观点认为,正是由于太古宙末期大量出现陆相火山岩,导致了大氧化事件,在这一模型中,S是控制氧逸度的关键。氧逸度对多种成矿作用均具有重要的控制作用。其中,斑岩铜金矿床的形成往往与高氧逸度的埃达克岩有关。这是由于当岩浆的氧逸度高于AFMQ+1.5时,岩浆中S主要以硫酸盐的形式存在。由于硫酸盐在岩浆中的溶解度远远高于硫化物,因此,在俯冲洋壳部分熔融过程中形成的高氧逸度埃达克质岩浆可以熔出更多的亲硫元素,有利于成矿。锡矿床的形成则往往与还原性岩浆有关。这是因为在高氧逸度岩浆中,Sn主要呈Sn~(4+),易于在岩浆结晶早期进入矿物中;而在还原性岩浆中,Sn主要以Sn~(2+)形式存在,表现为不相容元素,倾向于在岩浆中富集,并在岩浆期后热液阶段富集成矿。其他氧化还原敏感元素,如U、V、Mo、Re、Sb和Fe等,可以在表生过程中富集,有利于进一步富集成矿。