隕硫鈣石（CaS）通常被認(rèn)為是由太陽星云氣凝結(jié)而成。頑火輝石隕石是隕硫鈣石最重要的儲(chǔ)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(zhì)。因此，隕硫鈣石對(duì)深入了解太陽星云、隕石、地球起源和地球的C-O-S-Ca循環(huán)具有重要意義。
深海極端模擬研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合南方科技大學(xué)前沿與交叉科學(xué)研究院、中國(guó)地調(diào)局西安地調(diào)中心、內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校，利用活塞圓筒壓機(jī)和多面頂壓砧進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：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(zhì)巖漿與碳酸鈣反應(yīng)可生成隕硫鈣石（CaS），這擴(kuò)展了CaS在太陽系存在的范圍(圖1)。前人認(rèn)為隕硫鈣石主要存在于(1)水星軌道內(nèi)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(jié)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(qū)域(Liu et al., 2023)
文章定義了2個(gè)氧逸度計(jì):CaS-CaO-S平衡時(shí)的氧逸度(OLS氧逸度計(jì))、CaS-CaSO4平衡時(shí)氧逸度(OA氧逸度計(jì))。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(zhì)上確定了S2-/S0平衡時(shí)和S2-/S6+平衡時(shí)的氧逸度，為行星硫循環(huán)和礦床學(xué)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(tài)水是CaS可在水星、月球表面較廣泛存在的3個(gè)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(duì)與溫度的關(guān)系圖（Liu et al., 2013及參考文獻(xiàn)）
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(jī)制是對(duì)Bischoff and Seyfried (1978）認(rèn)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(jī)制的補(bǔ)充。
圖3. 洋中脊下隕硫鈣石CaS存在的可能區(qū)域
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(xiàn)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(huán)境可能和CaS是有關(guān)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(wěn)定場(chǎng)部分重疊。此外，早期地球巖漿海的lgfo2值在2173K時(shí)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(zhì)量在4.30×1021？7.58×1021 kg，如果這些CaS如全部轉(zhuǎn)換為CaSO4可以消耗3.82×1021？6.74×1021 kg 氧氣，而現(xiàn)代地球大氣中的氧氣總量?jī)H為1.246×1018 kg，可見CaS可能是地球早期缺氧的誘因。
二疊紀(jì)-三疊紀(jì)界線（PTB）大滅絕是過去5億年來最嚴(yán)重的生物危機(jī)(Xie et al. , 2005, Yin et al. , 2012), 在PTB時(shí)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(xué)者認(rèn)為西伯利亞大火成巖?。?/font>SLIP）的地幔巖漿與地殼巖石的相互反應(yīng)是大氣變化的一個(gè)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(zhì)巖漿與碳酸鹽反應(yīng)過程可以很好的反映SLIP巖漿與地殼碳酸鹽的反應(yīng)過程，更為重要的一點(diǎn)是SLIP巖漿以低氧逸度(FMQ–1.5，低于OLS, Sobolev et al. 2009)區(qū)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(cè)CaS的短暫存在是PTB大氣成分變化的一個(gè)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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