瑞士伯尔尼大学Tamblyn团队2023年11月6日在《自然·地球科学》杂志上发表的论文，揭示太古宙一种名为科马提岩（Komatiite）的岩石的特性。这项研究提供了关于地球早期生命可能依赖的能源来源的新见解。在太古宙克拉通中，科学家们对玄武岩-科马提岩（Basalt- Komatites）记录中H2气体产生的证据进行了深入研究。通过对38种科马提质玄武岩-科马提岩样本进行岩石学分析，研究人员发现这些岩石中产生H2的原因是独特的蛇纹石化（Serpentinization）反应。这种反应在岩石中释放分子氢（H2），这可能是早期生命所需的重要能源之一。

图1.科马提岩针状刺状结构

科学家们采用了超过1100块岩石，并通过地球化学分析量化了太古宙科马提岩中Fe3+和H2的产量。科马提岩流体的化学和物理特征使其在海洋板块中发生了广泛的水合作用和蛇纹石化，为早期生命的化学合成提供了高产量的H2。在水下蚀变过程中，岩石中铁的氧化被认为是H2的主要来源，而分子氢可能是化学合成生物用作能源的关键分子。这一发现突显了科马提岩在地球演化早期可能发挥的关键角色。在太古宙时期，科马提岩可能是能够释放H2的超镁铁质物质的主要来源之一。科马提岩是一种高镁质熔岩，含有接近太古宙海底的大量蛇纹石化和磁铁矿的证据。尽管先前的研究已对科马提岩成分中的H2产量进行了建模和实验，但直到最近，对其天然岩石记录的探索才开始。这项研究为我们理解地球早期生命可能如何利用这种特殊的能源来源提供了宝贵的地质证据。科学家们希望，通过深入了解太古宙时期地球的岩石特性，我们能更好地解开生命起源的谜团。太古宙科马提岩的高氢气产量成为我们理解地球早期生命演化的一块重要拼图。科马提岩是一种富含镁的太古宙时期的熔岩，对于地球早期的地质演化提供了重要的线索。与科马提岩的形成和演化密切相关的是其中可能存在的氢气，这一关系对于理解地球早期生命的化学合成过程至关重要。

• 形成背景

科马提岩形成于25亿年前或更早的太古宙时期，当时地幔温度较高，这种超基性的喷出岩在地球演化的初期阶段占据着重要地位，标志着地球内部的高温环境。在科马提岩形成的过程中，可能涉及水下蚀变作用，即岩石中的铁在水的作用下发生反应。这一过程是氢气产生的关键步骤，因为在水下蚀变过程中，铁的氧化释放出氢气（H2）。科学家通过对科马提岩样本的地球化学分析，可以量化岩石中的Fe3+和H2的产量，从而推断太古宙时期地球可能有大量的H2释放。

图2. H2丰富的超镁铁质岩石寄主的热液系统被认为是生命起源和早期演化的重要场所。在这项研究中，进行了两次涉及合成科马提岩在富CO2条件下的水热蚀变/碳酸化实验，以进一步了解地球早期科马提岩寄主的海底热液系统中水热流体的化学性质。在300°C下，流体中的H2浓度比在无CO2条件下低一个数量级，这表明科马提岩在富CO2条件下碳酸化抑制了H2的生成。流体中的稳态H2浓度随温度升高而增加，而运行产物中碳酸盐矿物的Fe含量随温度降低而增加。这一相关性表明，在每个温度下，Fe嵌入碳酸盐矿物会限制科马提岩蚀变过程中的H2生成。此外，流体的pH也取决于温度。高温（>300°C）流体呈碱性，而低温流体呈酸性。热力学计算表明，酸性流体归因于水热反应期间高水岩比。因此，H2贫乏和酸性流体可能在低温下生成。相比之下，在温度高于300°C的条件下生成了H2丰富和碱性的热液流体，这表明高温海底热液系统在形成能量和电化学势方面可能比低温系统更有利于哈迪因洋中生命的出现和早期演化。（https://doi.org/10.1029/2021GC009827）

• 化学合成的能源来源：

 在地球早期，分子氢（H2）可能是化学合成生物的关键能源之一。科马提岩中释放的大量氢气为水下蚀变过程提供了能量，这可能为早期生命的化学合成提供了有利的环境。分子氢在一些现代微生物中被用作能源，因此科马提岩的形成可能为早期微生物提供了一种可用的能源来源。

• 地球早期生命的影响

科马提岩的存在与水下蚀变过程中释放的氢气可能为地球上早期生命的演化提供了一种独特的能源来源。分子氢是一种强大的还原剂，对于一些微生物而言，它可能是一种重要的电子供体。因此，科马提岩所释放的氢气可能在地球早期的海洋环境中为生命的起源和演化提供了一种有利的条件。

  科马提岩形成与演化与氢气的关系深刻影响了地球早期的地质和生命演化过程。这一关系的研究为科学家提供了了解太古宙时期地球环境和生命起源的重要线索。尽管科马提岩的形成在地球上已经结束，但其留下的地质记录成为理解早期地球和生命演化的关键之一。

• 更多信息请阅读原文：

Tamblyn, R., & Hermann, J. (2023). Geological evidence for high H2 production from komatiites in the Archaean. Nature Geoscience, 16(11), 1194–1199. https://doi.org/10.1038/s41561-023-01316-x

百科知识：蛇纹化过程、科马提岩

蛇纹石化（serpentinization）是指在镁铁质岩石中，例如橄榄石和辉石，经过水合和变质转化的过程，最终形成蛇纹岩。这个过程涉及岩石中的矿物发生化学变化过程。蛇纹石化的过程中，水分子渗透并可能与岩石中的矿物发生化学变化，导致岩石的结构和组成发生显著改变。这个过程对于地球的岩石循环、地壳演化以及一些与板块构造相关的地质现象具有重要影响。蛇纹化形成的矿物包括蛇纹石类矿物（逆蛇纹石、蜥蜴石、纤维蛇纹石）、臭石、滑石、镍铁合金和磁铁矿（引自维基百科）。

这是来自奥地利东阿尔卑斯山的克劳巴特岩体（Speik Complex）的铬蛇纹岩（直径7.9厘米）。克劳巴特岩体是一个由变质的橄榄辉石岩和透镜岩组成的超镁铁质岩体。原始岩石（前体岩）是一种元古宙-早古生代上地幔的橄榄岩，经过了泥盆纪、二叠纪和中生代的多次变质作用。绿色部分为蛇纹石；黑色为铬铁矿（FeCr2O4 - 铁铬氧化物）。（维基百科）

这种矿物变质过程在海底特别重要，尤其是在构造板块边界处。总的来说，蛇纹石化是地球内部化学过程的一部分，对我们理解地球内部结构和地质变化提供了有价值的信息。与蛇纹化相关的氢气产生是由于在这一过程中，分解产生氢气。这是一个复杂的地球化学反应，通常发生在地壳深部或海底的构造板块边界。这些反应在水分子的作用下，导致岩石中的矿物发生改变，并释放出氢气。这一现象在地球科学中具有重要的地质学和地球化学意义。

科马提岩

图3.科马提岩（Komatiite）独有的鬣刺结构

科马提岩：太古宙时期的神秘绿岩，镁绿岩之名，是地球演化史上一段不可忽视的篇章。这些岩石形成于25亿年前或更早的太古宙时期，当时地幔温度异常高达250°C以上，创造了地球内部高温的独特环境。科马提岩的典型特征包括其超基性喷出、硅钾铝含量低、镁含量高、以及独有的鬣刺结构。这一结构表现为橄榄石细长的锯齿状斑晶，形如鬣刺草，是淬火结晶的产物，使得科马提岩在地质学上独具指标性。

图4. 显示主要科马地岩位置的世界地图，根据Arndt等人(2008年)修改。几乎所有太古宙克拉通中都有科马提岩。图例:1、太古宙和古元古代克拉通(灰色)和绿岩带(黑色条纹);2、科马地石产地;3、与Ni-Fe-Cu-PGE硫化物矿伴生的科马铁矿部位。

科马提岩的全球分布相对有限，仅在太古宙地盾区域的四个地方广泛认可。其中，南非的巴伯顿、澳大利亚的皮尔巴拉、加拿大的阿比提比绿岩带以及中国山东省新泰市羊流镇雁翎关成为科学家们深入研究的关键场所。这些地方保留了科马提岩的丰富地质历史，为理解太古宙时期地球环境和生命起源提供了珍贵线索。在岩石学上，科马提岩的独特之处不仅体现在其高喷发温度（超过1600°C）和流动性极强的岩浆，还表现在其特有的化学成分与分类。科马提岩可分为含铝科马提岩和无铝科马提岩，其形成与极热地幔柱密切相关。这种独特的成分与结构使得科马提岩成为研究太古宙地球地质演变的重要标本之一。科马提岩的矿物学特征呈现丰富多彩的面貌，包括镁橄榄石、辉石、铬铁矿等。其堆积矿物学组成展示了高镁橄榄石的累积，以及鬣刺纹理区域具有针状橄榄石结晶。这些独特的特征不仅为地球早期的地质过程提供了深入洞察，同时也为生命演变提供了有利条件。

图5.地幔柱由循环氯和水富集的模式。部分熔融的太古代地幔柱穿过地幔过渡带并捕获其物质。这种材料含有富含氯和水的高压橄榄石多晶体(Inoue, 2000;Bercovici and Karato, 2003;Roberge等人，2017)。海水对俯冲洋岩石圈的改变使水和氯进入过渡带。随着地幔柱的上升，橄榄石转变为低压多晶岩，Cl和水丢失，固相水组分的释放降低了地幔橄榄岩的固相温度，导致了剧烈的部分熔融并生成了科马马岩岩浆。

结束语

科马提岩中释放的大量氢气可能为早期生命的化学合成提供了重要的能源，揭示了其在地球早期生命演化中的潜在影响。科马提岩是地球早期地质演变与生命起源的珍贵见证。其在太古宙时期的形成与演化，以及与氢气的关系，为科学家们解锁太古宙时期地球谜团提供了重要线索。这段地质历史的奇异之旅，让我们更加深入地理解了地球演化的早期篇章。

（编者语：《太古宙科马提岩蛇纹石化氢气产生与地球原始生命的起源》一文，由中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会翻译整理。感谢您的阅读，科学是一项共同的努力，请不吝分享您的想法和观点，相信通过广泛的交流，能够共同推动气体地球化学科学的进步。）

参考资料：

Tamblyn, R., & Hermann, J. (2023). Geological evidence for high H2 production from komatiites in the Archaean. Nature Geoscience, 1-6.

Ueda, H., Shibuya, T., Sawaki, Y., Saitoh, M., Takai, K., & Maruyama, S. (2016). Reactions between komatiite and CO 2-rich seawater at 250 and 350 C, 500 bars: Implications for hydrogen generation in the Hadean seafloor hydrothermal system. Progress in Earth and Planetary Science, 3, 1-14.

Shibuya, T., Yoshizaki, M., Sato, M., Shimizu, K., Nakamura, K., Omori, S., ... & Maruyama, S. (2015). Hydrogen-rich hydrothermal environments in the Hadean ocean inferred from serpentinization of komatiites at 300 C and 500 bar. Progress in Earth and Planetary Science, 2, 1-11.

Yoshizaki, M., Shibuya, T., Suzuki, K., Shimizu, K., Nakamura, K., Takai, K., ... & Maruyama, S. (2009). H2 generation by experimental hydrothermal alteration of komatiitic glass at 300 C and 500 bars: a preliminary result from on-going experiment. Geochemical Journal, 43(5), e17-e22.

Arndt, N. (2023). Komatiite. In Encyclopedia of Astrobiology (pp. 1618-1619). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.

附：气体地球化学专业委员会简介

中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会是一个由气体地球化学领域的专家学者组成的学术组织，委员会于2018年12月组建，是中国矿物岩石地球化学学会下属的一个专业委员会，委员会挂靠单位为中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心（前身为中国科学院兰州地质研究所）。委员会的成立旨在促进气体地球化学领域的学术交流与发展，推动气体地球化学在地质、能源、生态与环境等领域的应用。

气体地球化学是一门研究大气中各种气体来源、分布、循环和相互作用的科学领域。该领域关注主要气体（如氮、氧、二氧化碳等）、稀有气体、温室气体等在大气中的行为。气体同位素地球化学手段在气体地球化学中扮演重要角色，通过分析同位素组成，研究气体的起源、化学过程和地球系统中的交互作用，以深化对大气化学、气候变化和生态系统影响等问题的理解。气体地球化学专业委员会的研究方向主要包括但不限于以下几个方面：天然气地球化学、地震和火山活动监测预测、地质源温室气体与地球宜居性、二氧化碳地质储存与应用等。委员会致力于推动相关技术的发展与创新，并积极参与国内外的合作与交流。同时，委员会也关注气体地球化学在能源、生态与环境等领域的应用，为国家的可持续发展做出积极贡献。自成立以来，气体地球化学专业委员会取得了一系列重要的成果。专业委员会致力于向公众传播关于气体地球化学的科普信息。通过举办讲座、编写文章或推动在线资源等方式，分享有关气体地球化学的知识。这有助于提高人们对这一领域的理解，促进科学知识的传播与交流。

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专业委员会先后组织了多次国内外学术研讨会和学术交流活动，主办了第二届、第三届全国气体同位素技术与地球科学应用研讨会，吸引了国内外众多的同行专家学者参与。此外，委员会还积极开展各类活动，支持气体地球化学领域的学术交流，推动气体地球化学在能源、环境等领域的应用，为相关领域的科研人员提供平台。气体地球化学专业委员会为推动我国气体地球化学领域的研究和发展做出了重要贡献。未来工作中，气体地球化学专业委员会将继续为推动气体地球化学在能源与环境等领域的应用与发展发挥重要作用，为我国气体地球化学的发展贡献更多力量。