我国科学家首次发现地幔深部超离子态含水矿物

仙仙

3月28日，记者从中国科学院地球化学研究所获悉，该所联合的多家合作团队，使用理论计算和实验相结合的方法，首次发现了地球深部地幔中超离子态的氢氧化铁矿物。


此前，有理论预测水在极端高温高压条件下，会进入一种介于固态冰与液态水之间的新形态——超离子态。这种形态下，水分子中的氢原子会脱离晶格的束缚而在固体氧原子晶格中像液体一样自由扩散，从而导致导电能力大幅度增加，使固态冰由绝缘体向导体转变。这种理论预测的“超离子态冰”直到2018年才被科学家采用光导率测量的实验方法，在动态激光加载下证实。




地球表面覆盖着大面积的水，然而地球内部不存在或含有极少量的自由水，尤其在下地幔深部，水是以羟基形式存在于矿物中。不同于超离子冰中的固体氧晶格，下地幔矿物主要由镁、铁、硅和氧等原子组成晶格。在地球内部高温高压环境下，氢原子能否像在氧晶格中一样在含水矿物晶格中自由流动而形成超离子态，对理解地球内部的物质循环、热量传导、磁场状态、电场状态和氢元素的循环等有着非比寻常的意义。


北京高压科学研究中心胡清扬研究员、刘锦研究员等人带领的团队，与中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室合作，使用理论计算和实验相结合的方法，首次发现了地球深部的含水矿物羟基氧化铁会在压力约为75万个标准大气压，温度高于1500摄氏度的条件下进入超离子态。这个温度和压力范围，覆盖了下地幔深部的大部分区域。国际期刊《自然·地球科学》发表了这一研究成果。


“这是地幔深部首次发现超离子态含水矿物。”北京高压科学研究中心主任毛河光院士点评说，传统上，大家认为地幔对流很慢，需要以万年乃至百万年计。超离子态氢类似于液体，在高温下可高速扩散运动。它不但能快速传递热能，同时由于氢具有质量，因而也是物质传输的载体。这一发现，将使地幔对流速率提升几个数量级，对人们认识地球内部物质和能量循环将是颠覆性的。（记者赵汉斌）