西澳大利亚皮尔巴拉3.455 Ga海底热液蚀变过程中磷酸盐行为及其对太古宙海洋磷循环的启示

本研究针对太古宙海洋磷来源争议，通过矿物学与地球化学分析，揭示了3.455 Ga Apex玄武岩在海底热液蚀变过程中的磷迁移规律。研究发现CO2富集流体和硫化物流体分别导致磷的显著流失，热液可携带高达2 mM磷酸盐，其通量可能超过现代河流输入。该成果为早期生命磷供给机制提供了关键证据，发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

　　

在地球早期生命演化的舞台上，磷(P)作为DNA、RNA和ATP等生命分子的核心元素，其可获取性直接制约着原始生物圈的繁荣。然而，关于太古宙海洋究竟是"磷匮乏"还是"磷富集"的争论持续了数十年——传统观点认为缺乏大陆风化导致磷稀缺，但近年研究暗示海底热液活动可能输送大量磷。这一争议的根源在于缺乏直接的地质证据：太古宙热液系统究竟能否有效从洋壳中萃取磷？磷的迁移机制如何？

为解答这些问题，研究人员对西澳大利亚皮尔巴拉克拉通3.455 Ga的Apex玄武岩展开深入研究。通过ABDP#1钻孔岩芯的精细分析，发现该玄武岩序列记录了多阶段海底热液蚀变历史。研究团队采用矿物学观察结合地球化学分析，运用电子探针微区分析(EPMA)和扫描电镜-能谱联用技术(SEM-EDS)鉴定磷酸盐矿物相，并通过热力学模拟计算磷酸盐溶解度。

研究结果揭示三大发现：

1. 蚀变分带特征
   岩芯自上而下划分为A、B、C三带：A带(顶部10 m)保留原始火成磷灰石(Ca₅(PO₄)₃(OH,F,Cl))，P₂O₅含量0.10±0.01 wt%；B带(中部25 m)在CO₂富集流体作用下形成菱铁矿(siderite)，磷含量锐减至0.01±0.01 wt%；C带(下部25 m)受硫化物流体改造，出现黄铁矿和新型磷酸盐矿物如磷钇矿(xenotime, YPO₄)。

2. 次生磷酸盐矿物组合
   在蚀变强烈的B、C带发现四种罕见次生磷酸盐：磷铝石(berlinite, AlPO₄)、氟磷铈矿(florencite, (Ce,La,Nd)Al₃(PO₄)₂(OH)₆)、磷钇矿及残余磷灰石。其中磷铝石与磷灰石共生的现象，指示酸性(pH 3.3-4.5)热液环境；而含稀土元素的氟磷铈矿则反映后期流体中稀土元素(REE)的活化迁移。

3. 磷通量定量评估
   热力学计算显示，在200 mM ΣCO₂、100-200°C条件下，热液可溶解2.3 μM至2 mM磷酸盐，远超现代海水浓度(2.3 μM)。模型预测太古宙热液磷通量可达1.8×10¹² g/yr，与现代河流输入量(2.0×10¹² g/yr)相当，若考虑更高洋壳扩张速率，通量可能再提升1-2个数量级。

这项研究首次通过矿物学-地球化学耦合证据，证实太古宙海底热液活动是海洋磷的重要来源。其创新性体现在：①发现磷铝石等次生磷酸盐矿物，为热液磷迁移提供直接证据；②建立磷溶解度模型，突破传统认为磷酸盐难溶的限制；③提出"热液磷泵"假说，为早期生命磷供给机制提供新解释。该成果不仅改写了对太古宙海洋化学的认识，也为地外生命搜寻提供了重要参考——在缺乏大陆风化的行星(如早期火星)上，海底热液系统可能同样扮演着关键的生命元素供给角色。

发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》的这项研究，通过古老岩石的"化学化石"，为我们打开了窥探地球生命摇篮环境的窗口。正如研究者所言："这些35亿年前的矿物，记录着磷元素从岩石圈到生命圈的史诗级旅程。"