📚 地球深處隱藏氧氣源與大氣演化研究

中國科學雜誌社 國家科學評論 地球科學 地球化學 岩漿儲氧機制 大氣演化歷史 高壓物理實驗 大型火成岩省

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2026年8月25日發表於『國家科學評論』並於同年10月23日由中國科學雜誌社報導的研究指出,高壓科學技術高級研究中心的林彥豪與毛河光博士、西北工業大學牛海洋教授及阿姆斯特丹自由大學文森特教授團隊,發現地球深處的岩漿在高壓下能吸收額外氧氣。實驗顯示在7吉帕斯卡的高壓下,合成玄武岩熔體的過剩氧含量超過樣品重量的5%,遠高於常壓下的接近零以及對照組的0.2%至0.5%。 研究團隊認為,氧氣不應僅被視為平衡矽、鎂、鐵等元素電荷的附屬成分,而應像水與二氧化碳一樣,被視為矽酸鹽熔體中獨立的揮發性成分。這種突破性的視角翻轉了傳統地球化學假設,證明深部岩漿具備將氧化能力從地函深處向地表輸送的關鍵機制,並能改變科學界對岩漿海洋演化與行星大氣發展的既有認知。 實驗透過在合成中洋脊玄武岩中添加二氧化鉑以提供富氧環境,利用活塞圓筒與六面體壓機在攝氏1200至1800度、1大氣壓至7吉帕斯卡(約每平方英吋100萬磅)的條件下熔化岩石並急速冷卻成玻璃。拉曼光譜分析證實過剩氧並非困在氣泡中,而是融入玻璃結構;深度神經網路原子間勢能模擬更揭示,部分氧原子在熔體中形成了類似過氧化物的化學鍵。 這項發現成功解釋了地球歷史上約25億至20億年前大氣氧氣大幅增加與大型火成岩省形成的時間重疊謎團。估算顯示,若當時噴發的岩漿僅釋放其重量0.27%的過剩氧,就能提供相當於今日大氣層的總氧量。此機制為評估其他類地行星的長期宜居性、揮發性物質釋放及大氣層演化提供了全新的科學評估模型。

Punti Chiave

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🔹 地球深處岩漿的高壓儲氧新發現

【📌 核心發現】2026年8月25日發表於『國家科學評論』(2026年10月23日報導)的研究證實,地球深處的熔融岩石(岩漿)在高壓環境下能吸收額外的氧氣供應。 【🔸 研究團隊】由高壓科學技術高級研究中心(簡稱高壓科研中心)的林彥豪博士與毛河光博士領導,聯合西北工業大學牛海洋教授及阿姆斯特丹自由大學文森特教授(徐永江等人共同參與)完成。 【⭐ 傳統觀念突破】傳統地球科學家認為,岩漿中的氧含量完全由矽、鎂、鐵等元素的數量與電荷狀態決定(僅用於平衡化學反應),而本研究首次證實岩漿能像吸收水與二氧化碳一樣,將額外的氧氣作為獨立的揮發性成分吸收。

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🔸 高溫高壓實驗設計與過剩氧數據對比

【📌 實驗設置】研究人員使用合成中洋脊玄武岩(實驗室製造的海底火山岩),透過活塞圓筒與六面體壓機,在攝氏1200至1800度(約華氏2190至3270度)及1大氣壓至7吉帕斯卡(最高約每平方英吋100萬磅)的條件下進行熔化實驗,並急速冷卻(淬火)成玻璃以測量殘留氧氣。 【🔵 實驗組(添加二氧化鉑提供富氧環境)】在1大氣壓下,扣除平衡其他元素及水與二氧化碳所含的氧後,『過剩氧』接近於零;但在7吉帕斯卡高壓下,過剩氧超過樣品重量的5%。 【🟠 對照組(未添加二氧化鉑)】在相同溫壓條件下,過剩氧僅佔樣品重量的0.2%至0.5%。 【⚖️ 關鍵差異】高壓環境顯著提升了熔體吸收額外氧氣的能力,且因淬火過程可能流失部分氧氣,實際熔體儲存量可能更高。

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⭐ 微觀結構驗證與深度神經網路模擬

【📌 拉曼光譜分析】為確認過剩氧是成為材料結構的一部分還是僅困在氣泡中,團隊使用拉曼光譜(利用散射光探測材料結構的技術)進行檢測,結果未發現氧氣氣體的特徵信號,證實過剩氧已完全融入玻璃結構中。 【🔸 原子級電腦模擬】牛海洋教授領導的模擬採用深度神經網路(簡稱深網)原子間勢能模型,具備從頭算(基於基本物理原理計算)的精確度,針對簡化的鎂-矽-氧系統進行分析。 【⭐ 化學鍵結變化】模擬顯示當更多氧溶解並達到平衡時,氧原子的電荷分佈範圍變廣,且一小部分氧原子彼此形成了『類過氧化物鍵』(氧與氧直接相連的特殊化學鍵),解釋了熔體容納超量氧氣的化學機制。

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📊 岩漿減壓釋氧機制與大氣氧化因果鏈

【📌 壓力依賴性】無論是玄武岩實驗或鎂-矽-氧系統模擬,皆證實過剩氧含量隨壓力增加而上升,此行為與水及二氧化碳在高壓岩漿中更易溶解的特性高度一致。 【🔸 輸送與釋放流程】地函氧化區域形成高壓岩漿並收集大量過剩氧 → 岩漿向地表上升導致環境壓力下降 → 岩漿保留氧氣的能力隨減壓而降低 → 逐漸釋放過剩氧氣 → 驅動淺層地函、地殼與大氣層的氧化反應。 【⭐ 學理重定義】作者群主張應將氧氣視為矽酸鹽熔體的獨立組成部分,這將改變學界對岩漿海洋演化與揮發性物質釋放的評估方式。

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💡 遠古大氣增氧謎團與行星宜居性啟示

【📌 歷史時間重疊】地球歷史上約25億至20億年前發生了大氣氧氣含量的重大增長,此時期恰好與地球上幾個最大規模的『大型火成岩省』(由大規模火山活動產生的巨大岩石堆積區)形成時間完全重疊。 【📊 關鍵數據估算】研究團隊粗略估算,若在25億至20億年前噴發的岩漿僅將其重量的0.27%作為過剩氧釋放出來,其提供的氧氣總量就足以相當於今日地球大氣層所含的全部氧氣。 【🎯 未來應用價值】此發現不僅重新連結了地球內部與大氣層的演化史,更為評估其他類地行星的大氣層發展與長期宜居性提供了關鍵的科學依據。

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