发生于古元古代的大氧化事件（Great Oxidation Event, GOE）标志着地球表层系统从缺氧向富氧状态的根本性转变，是塑造地球宜居环境的重要事件。尽管地表环境的氧化过程已基本确立，但深部地幔的氧化还原状态是否随地质时间发生协同演化，及其通过去气等深-浅部相互作用驱动地表氧化的内在动力学机制，目前在地球系统科学界仍存广泛争议。

此前，科学界对地幔氧化还原状态演化的认识存在多种截然不同的假说（逐渐氧化、恒定不变、以及压力依赖等）。造成分歧的主要原因之一是传统体系（如 V/Sc、V/Ti、Fe³⁺/ΣFe）极易受部分熔融条件、地壳污染及后期蚀变改造的影响。为了排除这些干扰，中国地质大学（北京）科学研究院李曙光院士团队的徐丽娟副教授联合香港大学地球与行星科学系、西北大学—香港大学地球与行星科学联合中心、中国科学技术大学、中山大学等多家科研单位组成的研究团队将目光投向了铬同位素（δ⁵³Cr）。铬在高温熔融过程中主要呈现两种化合价（Cr²⁺ 和 Cr³⁺），在岩浆演化及部分熔融过程中，不同价态之间的同位素分馏显著，且与地幔源区的氧逸度（fO₂）高度耦合。通过建立包括岩浆分离结晶、部分熔融以及热力学反演在内的三重氧逸度约束框架，提供了不受单一过程干扰的约束体系。研究团队对来自全球不同克拉通、形成年代跨越 3.48 Ga至 1.87 Ga的 66 件科马提岩和苦橄岩样品进行了系统的铬同位素分析，研究发现：太古宙样品（3.48 – 2.69 Ga）表现出整体偏重且变化范围较大的 δ⁵³Cr 值（均值为 -0.03 ± 0.11‰）；而古元古代样品（2.41 – 1.87 Ga）的 δ⁵³Cr 值显著降低（均值为 -0.12 ± 0.07‰），与现代地幔值一致。

为确保研究结论的严谨性，团队创新性地构建了“结晶分异–部分熔融–源区反演”的三重氧逸度（Three-fO₂）定量分析框架：1) 结晶分异阶段：数值模拟表明，太古宙科马提岩在相对还原的条件下结晶，主要受橄榄石分离结晶作用控制；而古元古代样品则由橄榄石与铬铁矿/尖晶石共同控制。基于结晶分异模型，团队定量获取了岩浆晚期演化阶段的氧逸度。2) 部分熔融阶段：模型阐明太古宙科马提岩母岩浆的高 δ⁵³Cr 特征，源于还原条件下 Cr2⁺/Cr3⁺ 体系诱发的高温同位素分馏，进而限定了深部地幔部分熔融过程中的氧逸度。3) 源区热力学反演与正演：结合热力学（GeoPS）与深部地球动力学（I2VIS）数值模拟，团队成功剥离了熔融深度与温度等物理因素对氧逸度的干扰。反演结果证实，太古宙地幔源区的 Fe³⁺/ΣFe 比值仅为 0.015–0.027，而古元古代地幔源区该比值显著升高至 0.017–0.033。这表明地幔源区本身化学组成的氧化，是驱动深部地幔强氧化的核心主导因素。此外，结合关键微量元素特征（如：古元古代样品中显著偏高的 (Th/Nb)_N 比值），研究进一步揭示：这种深部地幔源区的化学氧化，主要归因于古元古代地表氧化物质再循环输送至深部地幔。

研究提出了地幔演化对地表大氧化事件的双重控制机制：1) 从太古宙到古元古代，科马提岩岩浆的形成深度变浅、氧分压升高。早期深部还原环境下的脱气以 CH₄ 和 H₂ 等还原性气体为主（大量消耗大气氧气）；随着熔融变浅及氧化，火山脱气逐步转变为以 CO₂ 和 H₂O 为主，极大地减少了大气氧气的消耗汇。2) 新太古代至古元古代早期地表物质被带入深部地幔，使得地幔源区本征氧化还原预算逐步抬升，进而促进了火山脱气从“还原性”向“氧化性”的转变。

图 1 | 科马提岩铬同位素变动与大氧化事件耦合。(a) 从太古宙到古元古代（34.8 亿年前至 18.7 亿年前）科马提岩的稳定铬同位素组成（δ？3Cr）。与太古宙样品普遍较高的数值相比，古元古代科马提岩（大氧化事件（GOE）之后）的 δ？3Cr 值明显转向更低的区间。这一转变表明可能是大气氧气上升相关的岩浆生成机制发生了根本性变化。为了进行比较，图中还显示了现代洋中脊玄武岩（MORB）、洋岛玄武岩（OIB）和岛弧玄武岩（IAB）的数据。灰色带代表全硅酸盐地球（BSE）的估计 δ？3Cr 值。 (b) 地球大气氧含量的演化，以相对于现代大气水平（PAL，左轴）的氧气分压（P）和 log(PO？) 表示

图 2 | 地幔热演化和地壳循环控制的地幔源熔体氧化还原状态。该示意图展示了随时间推移，地幔压力的变化与地壳循环如何共同影响地幔源岩浆的氧化状态。(a) 在太古宙，较高的地幔温度（及相应压力 P）引发了更深且更广泛的部分熔融，从而产生了氧逸度（fO₂）较低的岩浆。(b) 相比之下，古元古代地幔较低的压力以及地壳循环作用生成了更浅且氧化程度更高的熔体，这反映了地幔已演化的氧化还原结构。 太古宙末期地幔源岩浆的渐进式冷却与氧化，可能促进了火山气体成分的转变，进而推动了大气中氧气的上升。在本研究中，利用铬同位素体系导出了两个不同的氧逸度值：结晶分异过程中的氧逸度（fO_2-FC）和部分熔融过程中的氧逸度（fO_2-PM）

上述研究成果发表在国际知名期刊《Nature Communications》上：Xu, L.-J*. （徐丽娟）, Shen, J.（沈骥）, Huang, S.-C*. （黄士春）, Liu, S.-A.（刘盛遨）, Liu, C.-Y.（刘春阳）, Liu, J.-G.（刘金高）, Zhu, X.-X*. （朱筱曦）, Mo, Y.-X.（莫玉溪）, Puchtel, I. S., Cawood, P. A., Zhao, G.-C*. （赵国春）, 2026. Chromium isotope constraints on deep mantle oxidation from the Early Archean to Paleoproterozoic. 本文第一作者及第一通讯作者为中国地质大学（北京）徐丽娟副教授；共同通讯作者包括中山大学黄士春教授、香港大学朱筱曦博士以及中国科学院院士/香港大学赵国春教授。主要合作作者还包括中国科学技术大学沈骥副教授，中国地质大学（北京）刘盛遨教授、刘金高教授、刘春阳博士、莫玉溪同学，以及美国马里兰大学 Igor S. Puchtel 教授和澳大利亚莫纳什（Monash）大学 Peter Cawood 教授。本研究获得了国家自然科学基金项目（No. 42473017、42473014）、国家重点研发计划项目（No. 2023YFF0804100）、香港研究资助局项目（Nos. JLFS/P-702/24、17308023）以及澳大利亚研究委员会项目（No. FL160100168）的联合资助。

全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77742-3.