The Innovation | 地核中心缺氧吗？

导 读

氧不仅是构成生物与非生物界最重要的元素，也是地壳中最丰富、分布最广的元素，其原子含量在50%以上。然而，地球最深的固体核心里，在超过三百万大气压、五千多度的高温和几乎由纯铁组成的极端条件下，氧是否存在？如何存在？一直是地球“核心”的未解之谜。北京高压科学研究中心刘锦和哥伦比亚大学孙阳等研究团队通过接近地核条件的超高压高温实验与计算模拟，首次合成了富铁组分的铁氧合金，证明了氧可大量存在于固态地核中，为进一步理解地核形成过程与演化历史提供了关键约束。

图1 地球中心氧的赋存状态

在我们脚下约6000公里的地球深处，隐藏着蓝色星球上最遥远最神秘的区域——地心内核，其大小接近于月球，处于地球最极端温度和压力环境中，有着超过三百万大气压与接近太阳表面约6000℃的高温。

这种极端的环境已经远超人类可触及的范围，我们只能通过地震产生的震波信号来推测地心的密度与化学成分。目前认为，内核中约90%的成分为铁和少量镍，然而剩余的轻元素的种类和含量却一直没有定论。综合地球内部的形成过程，认为这些轻元素应含有地球上常见的硫、硅、碳和氢。当前，模拟实验已经确认，在地球深部高温高压条件下这些元素会与纯铁混合形成各类铁合金。

然而，与人类密切相关的氧元素，却一直未被深入研究，认为内核不含氧或微乎其微。这主要是由于在地表和地幔的环境下，从未发现有富铁组分下的铁氧合金。所有已知的氧化铁中的氧原子含量都不少于50%。长期以来人们一直在尝试合成富铁组分下的铁氧化合物，却始终未能实现。难道地球内核里真的这么“缺氧”吗？

图2 超高压新化学反应产物的X射线衍射图案。星号标注反应物

为回答这一问题，研究人员将纯铁与氧化铁放置在两颗致密金刚石的尖端，并利用高能量激光对其加热，实现了地球核心的温度与压强。通过反复尝试，发现在超过220−260万大气压和3000摄氏度以上的环境下，铁与氧化铁会发生新型超高压化学反应。通过X射线衍射技术，证实了超高压化学反应产物不同于常见的纯铁和氧化铁高温高压结构（图2）。利用晶体结构搜索，研究人员从理论上同步证明了在超过200万大气压的条件下，富铁组分的铁氧合金可以稳定存在，并发现在地核温压条件下，纯铁与氧化亚铁均形成六方密堆积结构。

进一步研究发现，组分介于纯铁与氧化亚铁之间的铁氧合金，亦形成了类似的密堆积结构，并奇妙地将氧原子排列成单原子层状结构穿插在铁原子层中，从而使其结构稳定（图3）。由于这样的机制，铁氧合金家族中可以形成大量密堆积排列方式，有着极大的位形熵。因此，这种物质可稳定于地核极端高温环境。基于这些发现，研究人员找到了一种Fe₂₈O₁₄的铁氧排列构型，与实验测量到的X射线衍射图谱相吻合（图4）。更多的计算进一步表明，铁氧合金有着与常见铁氧化合物截然不同的金属性质，其电子结构依赖于铁氧单层的排列方式。该合金的力学性质和热学性质还有待进一步研究。

图3 晶体结构搜索氧组分在0-0.5之间的铁氧合金

图4 利用Fe₂₈O₁₄构型解释实验X衍射图谱

总结与展望

铁氧合金的发现否定了“内地核贫氧”假说。由此，对地心内核成分的估算需要重新评估。这为理解内核的固态结构和解释全球地震波观测异常现象提供了新思路。由于氧在地球形成和演化中扮演着重要角色，铁氧合金的存在为进一步理解氧在地表、地幔及地核的循环过程提供了一块必要的拼图。

责任编辑

时   玉   河南大学

肖梅玲   中国科学院长春应用化学研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00150-3

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Report发表的“Iron-rich Fe-O compounds at Earth's core pressures” (投稿: 2022-07-22；接收: 2022-11-13；在线刊出: 2022-11-15)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100354

引用格式：Liu J., Sun Y., Lv C., et al. (2022). Iron-rich Fe-O compounds at Earth's core pressures. The Innovation. 4(1),100354.

作者简介

刘 锦，北京高压科学研究中心研究员，博士生导师，美国矿物学会会士，入选国家海外高层次人才引进计划，获得国际高压科学技术促进会Jamieson Award、中国矿物岩石地球化学学会侯德封青年科学家奖、美国矿物学会MSA Award杰出青年奖等。主要研究方向为超高压行星材料(Deep Planets)，聚焦“地球与行星内部C-H-O等关键挥发分的赋存与效应”这一核心科学问题，开展高温高压实验测定深部碳、硅酸盐及铁合金等重要矿物的相变、弹性波速、电导率、热输运等物理化学性质。在Nature、NSR、Nature Geoscience等学术期刊发表论文80余篇，第一/通讯作者SCI论文40余篇。

https://scholar.google.com/citations?hl=zh-CN&user=IbybMOYAAAAJ

孙 阳，美国哥伦比亚大学应用物理系副研究员。在中国科学技术大学获学士和博士学位，曾在美国能源部国家实验室开展博士后研究。从事极端条件下凝聚态物质的多尺度计算模拟， 研究课题包括结晶动力学、非晶态物质、晶体结构预测和高压物理。在PRL, PNAS, ACS Nano等期刊发表论文70余篇。

https://www.researchgate.net/profile/Yang-Sun-58

Jung-Fu "Afu" Lin，美国德克萨斯大学奥斯汀分校地球科学学院、德州材料研究所教授，美国矿物学会会士，2011年获得美国NSF-EAR Early Career Award等。长期从事高压矿物物理和材料学研究，尤其在下地幔铁电子自旋相变及效应研究等领域做出杰出贡献。在Nature、Science、Nature Geosicience、Nature Materials、PNAS等期刊发文220余篇。

https://www.jsg.utexas.edu/lin/

Renata M. Wentzcovitch，美国哥伦比亚大学材料工程系、地球与环境科学系和拉蒙特-多尔蒂地球观测所教授，美国艺术与科学院院士，美国物理学会、地球物理学会和矿物学会会士。曾任美国物理学会计算物理分会主席，现候任地球物理学会矿物和岩石物理分会主席。长期从事行星内部条件下材料的第一性原理研究，在矿物物理、凝聚态物理、地球物理和地球化学领域有着广泛的研究兴趣。课题涵盖地球与系外行星内部结构、冰-水体系、强关联氧化物、自旋交叉系统等。在Nature、Science、PRL等期刊发文230余篇。

https://www.apam.columbia.edu/faculty/renata-wentzcovitch

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