水氧化还原揭示地幔深部化学新世界

2020-06-01

1707

北京高压科学研究中心研究员胡清扬和刘锦通过激光加热及同步辐射X射线衍射技术，发现下地幔主要成分之一的铁方镁石遇到水或含水矿物时，会发生化学反应生成一种新的矿物相并释放出氢气。该研究丰富了地幔矿物的组成并对地表及地球内部的氢、氧循环提出了新的见解。相关研究以Mineralogy of the deep lower mantle in the presence of H2O为题发表于近期的《国家科学评论》。

该团队近年来的一系列研究发现，下地幔的铁氧化物及地核中的铁遇到水都会生成过氧化铁氢化物并释放出氧气。然而，下地幔中纯的铁及其铁氧化物不是主要矿物组分，而是布里奇曼石与方镁铁矿(Mg, Fe)O。那么，约占下地幔20%的方镁铁矿遇到含水矿物会起什么反应呢？

此次研究人员继续使用高温高压实验研究方镁铁石与水的化学反应，发现在距离地表1700-2900千米深度的温度和压力条件下，铁方镁石也会与水反应，同样生成类似的过氧氢化物——(Mg,Fe)O2Hx，并释放氢气。

在下地幔深部，该化合物可以与下地幔主要矿物布里奇曼石，及其后钙钛矿高压相稳定共存，表明这种新的化合物有可能是下地幔的重要矿物相之一。

该矿物相与新近发现的(Mg, Fe)2O3+d一起均可归类于富氧氧化物。在地球表面，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。可以说，地球深部的高温高压环境提供了富氧氧化物稳定存在的物质条件。

研究小组还发现富氧氧化物与地球内部水的循环紧密相关，当水或含水矿物到达了一定深度,如1700千米或更深，将与地球深部的主要矿物发生氧化还原反应，在生成(Mg, Fe)O2的同时释放氢气，而氢气在上升的过程中又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。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。