巖漿當過氧氣搬運工：高壓實驗量出 5% 額外氧，大氧化事件多了一條深部線索

中國團隊發表在《國家科學評論》的高壓實驗顯示，矽酸鹽熔體在 7 吉帕斯卡下可容納超過重量 5% 的額外氧，並隨巖漿上升減壓而釋出，為約 25 億至 20 億年前大氣首次大量增氧，補上一條過去沒被計入的深部路徑。

地球大氣裡的氧從哪裡來？多數人的答案是光合作用。這個答案今天依然成立，但把它原封不動搬回 25 億年前，帳本上一直留著空位。10 月 23 日見諸報導、發表在《國家科學評論》（National Science Review）的一項研究補上了其中一格：在高壓之下的巖漿，自己就能多裝一份氧，並在上升減壓時把它吐出來。

這項研究由北京高壓科學研究中心（HPSTAR）林彥好研究員與毛河光院士領銜，西北工業大學牛海洋教授、阿姆斯特丹自由大學 Wim van Westrenen 教授共同參與。核心結論可以用一句話講完：矽酸鹽熔體在高壓下能容納遠超傳統化學計量預期的「額外氧」，在 7 吉帕斯卡時達到樣品重量的 5% 以上。

課本記帳的方式：氧由配方決定

地球科學家計算巖漿含氧量，向來依循一條規則：看矽、鎂、鐵等主要元素的豐度與價態。氧在地函矽酸鹽裡佔原子總數的一半以上，但絕大多數被化學鍵固定，數量被認為完全由這些陽離子的配方決定。想多放一個氧原子，就得有相應的陽離子跟它成鍵。

水和二氧化碳的待遇明顯不同。它們被歸類為揮發分，可以在巖漿裡獨立溶解，含量隨壓力升降。氧長期不在這份名單上。這次研究做的事，就是直接檢驗這個沿用已久的預設：把巖漿放到夠高的壓力下，氧究竟裝不裝得進去。

把中洋脊玄武巖推到七萬大氣壓

實驗材料是實驗室合成的中洋脊玄武巖，成分接近地函物質部分熔融後的產物，也是海底擴張帶噴發巖漿的代表。團隊把樣品加熱到 1200 至 1800 攝氏度，壓力從 1 大氣壓一路加到 7 吉帕斯卡，約每平方英寸一百萬磅，相當於將近七萬個大氣壓，已觸及上地函的條件範圍。部分樣品額外加入氧化鉑，用來製造富氧環境。

熔融完成後，樣品被快速冷卻成玻璃，把高溫高壓下的結構原樣凍住，再測量元素組成、水含量與二氧化碳含量。計算順序是：先扣掉化學計量要求的氧，再扣掉水和二氧化碳裡的氧，剩下來的部分，定義為「額外氧」。

結果的壓力趨勢相當乾淨。1 大氣壓下，額外氧接近零；升到 7 吉帕斯卡，額外氧超過樣品重量的 5%，精確值為 5.2 ± 0.2%（重量百分比）。對照組裡，沒有添加氧化鉑的同溫壓實驗只量到 0.2% 至 0.5%。兩組相差一個數量級，說明兩件事：高壓熔體確實具備儲氧能力，而它實際裝了多少，還取決於環境供應多少氧。

多出來的氧，卡在結構的縫隙裡

第一個必須排除的質疑是：這些氧會不會只是以氣泡形式被物理包裹在熔體裡，像搖晃過的可樂？拉曼光譜在玻璃樣品中沒有偵測到氧氣的氣態訊號，顯示額外氧已經結合進矽酸鹽網絡本身。

牛海洋團隊接著用基於深度神經網路的原子間勢做模擬，解釋容納機制。氧含量升高時，氧原子的電荷分布範圍變寬，其中一小部分氧原子彼此成鍵，形成類似過氧化物的結構。可以把熔體想成一個置物架：低壓時格子數量由化學計量決定，高壓把架子擠出新的縫隙，多出來的氧就卡進縫隙，甚至兩兩牽手。模擬採用簡化的鎂、矽、氧體系，算出的絕對氧含量低於玄武巖實驗，但重現了同一趨勢：壓力越高，裝得越多。

這裡也看得出方法上的分工。機器學習勢函數讓「氧原子在高壓熔體裡怎麼排列」這類問題可以在電腦裡快速試答案，這與我們先前整理的AI 把線索變便宜、驗證仍要原價的處境相同：模擬給出的機制，最終仍要靠實驗與地質紀錄驗收。

還有一個方向性提醒。部分氧可能在急冷過程中逃逸，實驗量到的 5%，很可能只是熔體實際儲存能力的下限。真實地函裡的巖漿，說不定裝得更多。

減壓上升，深處的氧交給地表

這條路徑的地表意義在這裡。在氧化性較強的地函區域形成的巖漿，會在深處裝載大量額外氧；向上運移時壓力下降，熔體的儲氧能力跟著降低，過剩的氧被釋出，氧化淺部地函、地殼，乃至大氣。巖漿因此像一條把氧往地表送的輸送帶，壓力差決定它在哪一段卸貨。

時間點也對得上。大氣氧含量在約 25 億至 20 億年前的大氧化事件（GOE）期間顯著上升，部分規模最大的大火成巖省（LIPs）恰好也在相近的時間窗口大規模噴發。基於實驗數據的粗略估算顯示，那一時期噴發的巖漿只要釋出自身重量 0.27% 的額外氧，供應總量就相當於今日整個大氣層所含的氧。對照 7 吉帕斯卡下量到的 5.2%，這個門檻並不算苛刻。

不過界線要先劃清楚：0.27% 是以全球規模巖漿活動做的量級推演，並非對某一次噴發的直接測量，與實際地質過程的吻合程度仍待後續工作檢驗。光合作用作為大氣氧的主要來源也沒有被推翻，這項研究提供的是一條過去沒被計入的補給線，讓大氧化事件的帳本多出一個可以填數字的欄位。

對讀者的意義，和接下來看什麼

短期內，這項發現不會改變任何人的生活，但會改變一批模型的輸入值。地球化學裡凡是以巖漿含氧量當前提的計算，從地函氧化狀態到揮發分循環，都得重新檢查「氧完全由陽離子配方決定」這條預設。教科書上揮發分的名單，可能得把氧自己加回去。

後續值得依序核對的訊號有三個：其他高壓實驗室能否用不同成分的熔體重現同樣的壓力趨勢；大氧化事件前後的巖漿巖，會不會在地質紀錄裡留下符合這條路徑的氧化證據；量級推演能否推進到對具體噴發事件的估算。論文已公開（DOI：10.1093/nsr/nwag539），有興趣的讀者可以自行核對每一個數字。

在光合作用撐起的主流敘事之外，地球內部可能也出過一份力。這份力究竟有多大，接下來得靠更多實驗與野外證據慢慢算清楚。