北京高压科学中心: 下地幔发现新型铁镁氧化物 | NSR论文

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从地表进入地球内部的水通量每年达几亿吨，如此巨量的水如何影响地球内部的物理化学性质和地球动力学过程一直是科学界未解的难题。近年来，北京高压科学研究中心的毛河光院士团队在此方面取得一系列科学突破，发现在地表1800-2000公里深度以下的深下地幔温度压力条件下可以形成富氧氧化物FeO₂H_x，这说明地球内部可能是大气中氧的重要来源。

近日，该中心的刘锦、胡清扬研究团队再次通过高温高压实验，在地下大约1000公里处的温度压力条件下发现了一种新型铁镁氧化物，(Fe,Mg)₂O_3+d（0<d<1）—命名为OE相 (the oxygen-excess phase),其氧含量高于地表常见的富氧铁氧化合物赤铁矿（Fe₂O₃）。与此前发现的富氧相FeO₂H_x相比，OE相在含氧量、形成条件方面均有区别，而且两者的化学组成及晶体结构都不相同。同时，该团队通过激光加热结合同步辐射X光衍射技术，发现除了铁氧化物外，下地幔主要成分之一的铁方镁石也可以与水发生化学反应，生成含氢(Mg,Fe)O₂。

富氧氧化物OE相和含氢(Mg, Fe)O₂的发现再一次证明了地球深部储存着大量的氧，这些重大发现有望更新我们关于地球氧循环的传统认知。相关系列研究发表于《国家科学评论》。

“在40多万大气压和高温条件下，OE相可以直接从含水的俯冲物质中生成。令我们惊喜的是，OE相能够保留到常压下，这一点在极端高温高压实验中很难得，比如，含氢二氧化铁就只能存在于高温高压环境下”，刘锦研究员介绍说。“事实上，人们在下地幔对应的温度压力条件下合成的高压相，如果能保留到常压，就很有可能在地球表面被发现，然后被人们命名为某种矿物，比如布里奇曼石、赛石英等，”毛河光院士补充道。

他们还发现OE相可以与地幔的主要矿物布里奇曼石和铁方镁石稳定共存于下地幔环境，所以这一新相可能普遍存在于下地幔。新型富氧氧化物的晶体结构中含有管状通道，不仅可以存储过量的氧，可能也可以携带其他挥发性元素，如C、N、F、S等。这表明OE相可能是地球内部挥发分的重要载体，对地球挥发分的深部循环具有重要意义。

“含氢(Mg, Fe)O₂和OE相均可归类于富氧氧化物”，胡清扬研究员说到。“在地球表面，此类富氧氧化物的化学性质通常不稳定，而在高压环境下，富氧氧化物可以在下地幔矿物环境中稳定存在”。

地球深部的高温高压环境有利于将含水俯冲物质转化成富氧氧化物，与地球深部水循环紧密相关。当水或含水矿物到达了一定深度，如1000 公里或更深，将与地球深部的主要矿物发生氧化还原反应，在生成OE相和(Mg, Fe)O₂的同时释放氢气，而氢气在迁移的过程中可能会重新与氧元素结合，重组为水。水在这一往复循环中总量大致不变，起了类似催化剂的作用。因此，水不仅是生命之源，也在地球内部的化学平衡起关键作用，是地球宜居的最重要原因之一。

文献链接：

1.https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa096

2.https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa098

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