新型富氧氧化物的晶體結(jié)構(gòu)中含有管狀通道

從地表進入地球內(nèi)部的水通量每年達幾億噸，如此巨量的水如何影響地球內(nèi)部的物理化學(xué)性質(zhì)和地球動力學(xué)過程一直是科學(xué)界未解的難題。近年來，北京高壓科學(xué)研究中心的毛河光院士團隊在此方面取得一系列科學(xué)突破，發(fā)現(xiàn)在地表1800-2000公里深度以下的深下地幔溫度壓力條件下可以形成富氧氧化物FeO2Hx，這說明地球內(nèi)部可能是大氣中氧的重要來源。

近日，該中心的劉錦、胡清揚研究團隊再次通過高溫高壓實驗，在地下大約1000公里處的溫度壓力條件下發(fā)現(xiàn)了一種新型鐵鎂氧化物，（Fe，Mg）2O3+d（0《d《1）—命名為OE相 （the oxygen-excess phase），其氧含量高于地表常見的富氧鐵氧化合物赤鐵礦（Fe2O3）。與此前發(fā)現(xiàn)的富氧相FeO2Hx相比，OE相在含氧量、形成條件方面均有區(qū)別，而且兩者的化學(xué)組成及晶體結(jié)構(gòu)都不相同。同時，該團隊通過激光加熱結(jié)合同步輻射X光衍射技術(shù)，發(fā)現(xiàn)除了鐵氧化物外，下地幔主要成分之一的鐵方鎂石也可以與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成含氫（Mg，F(xiàn)e）O2。

富氧氧化物OE相和含氫（Mg， Fe）O2的發(fā)現(xiàn)再一次證明了地球深部儲存著大量的氧，這些重大發(fā)現(xiàn)有望更新我們關(guān)于地球氧循環(huán)的傳統(tǒng)認(rèn)知。相關(guān)系列研究發(fā)表于《國家科學(xué)評論》。

“在40多萬大氣壓和高溫條件下，OE相可以直接從含水的俯沖物質(zhì)中生成。令我們驚喜的是，OE相能夠保留到常壓下，這一點在極端高溫高壓實驗中很難得，比如，含氫二氧化鐵就只能存在于高溫高壓環(huán)境下”，劉錦研究員介紹說?！笆聦嵣?，人們在下地幔對應(yīng)的溫度壓力條件下合成的高壓相，如果能保留到常壓，就很有可能在地球表面被發(fā)現(xiàn)，然后被人們命名為某種礦物，比如布里奇曼石、賽石英等，”毛河光院士補充道。

他們還發(fā)現(xiàn)OE相可以與地幔的主要礦物布里奇曼石和鐵方鎂石穩(wěn)定共存于下地幔環(huán)境，所以這一新相可能普遍存在于下地幔。新型富氧氧化物的晶體結(jié)構(gòu)中含有管狀通道，不僅可以存儲過量的氧，可能也可以攜帶其他揮發(fā)性元素，如C、N、F、S等。這表明OE相可能是地球內(nèi)部揮發(fā)分的重要載體，對地球揮發(fā)分的深部循環(huán)具有重要意義。

“含氫（Mg， Fe）O2和OE相均可歸類于富氧氧化物”，胡清揚研究員說到?！霸诘厍虮砻?，此類富氧氧化物的化學(xué)性質(zhì)通常不穩(wěn)定，而在高壓環(huán)境下，富氧氧化物可以在下地幔礦物環(huán)境中穩(wěn)定存在”。

地球深部的高溫高壓環(huán)境有利于將含水俯沖物質(zhì)轉(zhuǎn)化成富氧氧化物，與地球深部水循環(huán)緊密相關(guān)。當(dāng)水或含水礦物到達了一定深度，如1000 公里或更深，將與地球深部的主要礦物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在生成OE相和（Mg， Fe）O2的同時釋放氫氣，而氫氣在遷移的過程中可能會重新與氧元素結(jié)合，重組為水。水在這一往復(fù)循環(huán)中總量大致不變，起了類似催化劑的作用。因此，水不僅是生命之源，也在地球內(nèi)部的化學(xué)平衡起關(guān)鍵作用，是地球宜居的最重要原因之一。
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