NSR: 隕硫鈣石(CaS)：上地幔C-O-S-Ca循環的新鏈條與行星宜居性的標志性礦物
文章來源：劉月高 | 發布時間：2023-06-29 | 【打印】 【關閉】
隕硫鈣石（CaS）通常被認為是由太陽星云氣凝結而成。頑火輝石隕石是隕硫鈣石最重要的儲存庫之一，也是最還原的一類隕石，其是形成早期地球的代表性物質。因此，隕硫鈣石對深入了解太陽星云、隕石、地球起源和地球的C-O-S-Ca循環具有重要意義。
深海極端模擬研究實驗室聯合南方科技大學前沿與交叉科學研究院、中國地調局西安地調中心、內華達大學拉斯維加斯分校，利用活塞圓筒壓機和多面頂壓砧進行的實驗巖石學研究發現：在上地幔和下地殼（1.5 GPa/1510 K、0.5 GPa/1320 K 和 0.3 GPa/1273 K）含硫化物的玄武質巖漿與碳酸鈣反應可生成隕硫鈣石（CaS），這擴展了CaS在太陽系存在的范圍(圖1)。前人認為隕硫鈣石主要存在于(1)水星軌道內部的頑火輝石隕石、(2)水星表面大量分布、（3）月球隕石坑的月壤中。本研究結果證明其可以在地幔存在。
圖1. 太陽系中隕硫鈣石CaS的主要分布區域(Liu et al., 2023)
文章定義了2個氧逸度計:CaS-CaO-S平衡時的氧逸度(OLS氧逸度計)、CaS-CaSO4平衡時氧逸度(OA氧逸度計)。在0.5 GPa/1320 K, OA = FMQ + 2.21= IW + 6.05 (lgfo2 = –7.83), OLS = FMQ – 0.52 = IW + 3.30 (lgfo2 = –10.57)，其本質上確定了S2-/S0平衡時和S2-/S6+平衡時的氧逸度，為行星硫循環和礦床學研究提供了重要的便利。巖漿低氧逸度、大氣極低氧含量、無大量液態水是CaS可在水星、月球表面較廣泛存在的3個條件，否則CaSO4將大量存在，如地球上和火星上表面大量的硫酸鈣或石膏。
圖2. 0.5GPa條件下，代表性氧逸度緩沖對與溫度的關系圖（Liu et al., 2013及參考文獻）
文章首次指出隕硫鈣石可能在洋中脊下覆地幔存在，其可能是黑煙囪部分硫酸鈣的前體（圖3），該機制是對Bischoff and Seyfried (1978）認為洋中脊硫酸鹽是由于Ca和SO42-在海水中的溶解度隨著溫度的升高而降低機制的補充。
Stagno et al.,2013--Nature; Liu et al.,2023--NSR中的附件
在大氧化事件（GOE）之前，地球大氣層最初不含氧氣 (Lee et al. , 2016, Lyons et al. , 2014)。大約24.6-18.5億年前，氧氣從現在的大氣水平（PAL）的＜10–7.1–10–5.1（lgfo2<–7.6至–6.0，圖2）上升到lgfo2=–5.3至–2.7(Kanzaki and Murakami, 2016)，稱為GOE。GOE之前的無氧或缺氧環境可能和CaS是有關系的。GOE之前地球大氣的lgfo2范圍的上限為-7.6至-6.0（圖2）(Kanzaki and Murakami, 2016)，與隕硫鈣石穩定場部分重疊。此外，早期地球巖漿海的lgfo2值在2173K時為IW+0.5(Sossi et al. , 2020)(圖2）。故大氣氧逸度和巖漿氧逸度都滿足隕硫鈣礦存在的條件。本研究推算地球早期的隕硫鈣石CaS的質量在4.30×1021-7.58×1021 kg，如果這些CaS如全部轉換為CaSO4可以消耗3.82×1021-6.74×1021 kg 氧氣，而現代地球大氣中的氧氣總量僅為1.246×1018 kg，可見CaS可能是地球早期缺氧的誘因。
二疊紀-三疊紀界線（PTB）大滅絕是過去5億年來最嚴重的生物危機(Xie et al. , 2005, Yin et al. , 2012), 在PTB時伴隨著大氣CO2的急劇升高(Retallack, 2001)和大氣O2含量的急劇降低(Berner, 2006)，大多學者認為西伯利亞大火成巖省（SLIP）的地幔巖漿與地殼巖石的相互反應是大氣變化的一個重要原因(Sobolev et al. , 2011)。本研究中，CaS的形成伴隨著CO2的釋放，而CaS的氧化則是氧氣消耗的過程，且含硫化物的玄武質巖漿與碳酸鹽反應過程可以很好的反映SLIP巖漿與地殼碳酸鹽的反應過程，更為重要的一點是SLIP巖漿以低氧逸度(FMQ–1.5，低于OLS, Sobolev et al., 2009)區別于其他冰島、夏威夷等地幔柱，這為CaS存在提供了條件，故有理由推測CaS的短暫存在是PTB大氣成分變化的一個因素之一。
文章信息：
Yuegao Liu（劉月高）, I-Ming Chou（周義明）, Jiangzhi Chen(陳姜智，共一), Nanping Wu（吳南平）, Wenyuan Li（李文淵）, Leon Bagas, Minghua Ren（任名華）, Zairong Liu（劉在榮）, Shenghua Mei*（梅升華, 通訊）, Liping Wang*（王李平, 通訊）. Oldhamite: A new link in upper mantle for C-O-S-Ca cycles and an indicator for planetary habitability. NSR, 2023, https://doi.org/10.1093/nsr/nwad159
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