深部含水矿物的放气机制

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水分子H2O是地球上最为常见，也是生命所不可缺少的一种分子。常压下，水能稳定存在于0度到100摄氏度之间。但只要增加压强，例如在几千个大气压下，水在常温下就会凝结成冰。而在地球内部的高温高压环境中，水分子一般无法单独存在，它会与岩石结合生成所谓含水矿物。含水矿物俯冲入地球深部，其中大部分最多到达上地幔底部的转换带，最终高温下脱水，形成了一个封闭的地球水循环。

近年来科学家发现有一类独特的含水矿物在高压下会形成对称的O-H-O 化学键结构。这种结构显著地提高了含水矿物的热稳定性，甚至能在下地幔的高温高压环境下稳定存在。FeO2H（亦称为沼铁矿）便是其中之一。它在高压下形成了坚固的O-H-O 结构使得在高温下也不易水解。根据最新的研究成果，来自HPSTAR的胡清扬带领的研究小组认为在大约75万大气压和1400摄氏度以上，FeO2H的这种对称的O-H键会断裂，因而产生一系列有趣的化学变化。他们的成果发表于Journal of American Chemical Society (DOI: 10.1021/jacs.7b06528).

FeO2H的自由能图

“因为对称的氢键被破坏，氢将会释放出来”，胡清扬解释道。研究小组首先通过计算机模拟仿真发现当FeO2H发生高压相变的时候，一半的O-H键将断裂。同时实验结果也显示大约有一半的氢会从FeO2H中释放，形成一种FeO2H0.5的化合物。“这也是我们首次尝试在原子尺度上探索矿物的放气机制”， 胡清扬补充到。

FeO2H 的脱氢现象是地球内部氢循环的一部分，通过这种新的化学变化，氢将单独成为地球地幔模型的一个考虑因素，进而增进人们对地幔化学的认识。

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