研究提供了有关地球大陆崛起的新线索

大陆是使地球成为太阳系行星中唯一适合生命居住的部分原因，但令人惊讶的是，人们对这些巨大的地壳碎片及其特殊性质的形成原因知之甚少。Elizabeth Cottrell的新研究，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，以及主要研究作者Megan Holycross，前博物馆的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来加深对地壳的理解，即为什么大陆地壳的铁含量低于洋壳。大陆地壳的贫铁成分是地球表面大部分高于海平面的旱地的主要原因，这使得今天的陆地生命成为可能。

今天发表在《科学》杂志上的这项研究使用实验室实验表明，地球大陆地壳典型的贫铁氧化化学可能并非来自石榴石矿物的结晶，这是 2018 年提出的一种流行解释。

新大陆地壳的组成部分从地球深处被称为大陆弧火山的地方冒出来，大陆弧火山位于俯冲带，海洋板块俯冲到大陆板块下方。在对大陆地壳铁耗尽和氧化状态的石榴石解释中，这些大陆弧火山下方岩浆中石榴石的结晶从陆地板块中去除非氧化(还原或亚铁，正如科学家所知)铁，同时耗尽铁的熔融岩浆并使其更加氧化。

地球大陆地壳相对于海洋地壳铁含量低的主要后果之一是，它使大陆密度降低，浮力增加，导致大陆板块比海洋板块位于地球地幔上方。这种密度和浮力的差异是大陆以陆地为特征而海洋地壳在水下的主要原因，也是大陆板块在俯冲带与海洋板块相遇时总是出现在顶部的主要原因。

石榴石对大陆弧形岩浆中铁耗尽和氧化的解释很有说服力，但科特雷尔说，其中一个方面与她的观点不符。

“你需要高压才能使石榴石稳定，而且你会在地壳不那么厚​​的地方发现这种低铁岩浆，因此压力不是特别高，”她说。

2018 年，Cottrell 和她的同事着手寻找一种方法来测试这些弧形火山下方深处石榴石的结晶是否确实对形成大陆地壳的过程至关重要。为了实现这一目标，Cottrell 和 Holycross 必须想方设法在实验室中复制地壳的高温和高压，然后开发出足够灵敏的技术，不仅可以测量铁的含量，还可以区分铁是否被氧化.

为了重现在大陆弧形火山下方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，主要由非常厚且坚固的钢和碳化钨制成。大型液压油缸施加的力会对大约一立方毫米大小的微小岩石样本产生非常高的压力。该组件由围绕岩石样本的电绝缘体和热绝缘体以及圆柱形炉组成。活塞缸压力机和加热组件的组合允许进行可以达到火山下发现的非常高的压力和温度的实验。

在 13 个不同的实验中，Cottrell 和 Holycross 在模拟地壳深处岩浆室内条件的压力和温度下，从活塞缸压力机内的熔岩中培育出石榴石样品。实验中使用的压力范围为 1.5 到 3 吉帕——大约是 15,000 到 30,000 个地球大气压力，或者比一罐汽水内的压力高 8,000 倍。温度在 950 到 1,230 摄氏度之间，足以熔化岩石。

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，这组石榴石已经过分析，因此已知其氧化铁和未氧化铁的浓度。

最后，研究作者将他们的实验材料和从收藏中收集的材料带到能源部位于伊利诺伊州阿贡国家实验室的高级光子源。在那里，该团队使用高能 X 射线束进行 X 射线吸收光谱分析，这项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铁和未氧化铁的浓度。

氧化铁和未氧化铁比例已知的样品提供了一种方法来检查和校准团队的 X 射线吸收光谱测量，并有助于与实验材料进行比较。

这些测试的结果表明，石榴石没有从岩石样本中吸收足够的未氧化铁，无法解释作为地球大陆地壳组成部分的岩浆中存在的铁消耗和氧化水平。

“这些结果使得石榴石结晶模型极不可能解释为什么来自大陆弧火山的岩浆被氧化并且铁被耗尽，”科特雷尔说。“更有可能是大陆地壳下方地幔的条件造成了这些氧化条件。”

就像许多科学成果一样，这些发现引发了更多问题：“是什么导致了氧化或铁耗尽?” 科特雷尔问道。“如果它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?他们的作文是如何修改的?”

科特雷尔说，这些问题很难回答，但现在的主流理论是氧化硫可能会氧化铁，现任彼得·巴克研究员正在她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”倡议下开展的研究的一个例子，该倡议是一项公私合作伙伴关系，该倡议支持研究一些关于地球为何如此特别的最持久和重要的问题。其他研究将调查地球液态海洋的来源以及矿物质如何成为生命的模板。