Nature Geoscience：地核可能是地球內部最大的氫儲庫

Nature Geoscience：地核可能是地球內部最大的氫儲庫

地球內部水/氫的含量和分布一直都是備受關注但又富有爭議的科學問題。最近的一些研究提出地球在演化早期就從星雲中獲得了大量的氫，並且在核幔分異過程中，這些氫可能會進入地核（Wu et al., 2018），前提是氫在高溫高壓條件下具有親鐵性。近兩年的實驗研究表明低溫低壓下（～2000 K，5-20 GPa）氫主要呈現親石性（Clesi et al., 2018; Malavergne et al., 2019），但是在核幔邊界條件下（4000-5000 K，136 GPa）氫在金屬核和矽酸鹽地幔之間的分配關係還缺少可靠的約束。

近日，倫敦大學的John P. Brodholt教授團隊通過第一性原理分子動力學模擬預測了20-135 GPa和2800-5000 K下氫在鐵和矽酸鹽熔體之間的分配係數，結果表明在高溫高壓下氫具有明顯的親鐵性，即在核幔分異過程中氫更傾向於進入地核，因此地核很有可能是一個大型的氫儲庫。相關成果發表在Nature Geoscience上（Li Y et al., 2020）。

前人的研究表明氫在鐵和矽酸鹽熔體中的分配係數受到溫度、壓力以及氧逸度的影響（Kuramoto et al, 1996；Okuchi et al, 1997；Clesiet al., 2018；Malavergne et al., 2019）。因此，作者考慮了兩種端元組分：P_H2/P_H2+H2O = 1 和P_H2O/P_H2+H2O= 1（相當於實驗中在鐵和矽酸鹽體系中加入純H₂和H₂O），分別代表還原和氧化條件。他們通過第一性原理分子動力學模擬計算自由能的方法，計算了不同溫壓條件下H和H₂O在鐵和矽酸鹽熔體之間的分配係數（圖1），結果發現還原條件下（圖1a）氫具有明顯的親鐵性，而代表氧化條件（圖1b）的H₂O雖然在20 GPa和2800 K下是親石的，但隨著溫度和壓力的升高，H₂O也會表現出親鐵性。此外，他們還通過模擬相邊界經驗計數的方法（圖2）在50 GPa和3500 K下直接獲得了鐵和矽酸鹽熔體之間H的分配係數為3.1±0.3，也表明高溫高壓條件下氫具有親鐵性。

圖1 不同溫壓條件下H（a）和H₂O（b）在鐵和矽酸鹽熔體之間的分配係數，橫坐標是H（a）和H₂O（b）在鐵中的摩爾濃度，陰影區域代表不確定度

圖2 經驗計數法估算H的分配係數。（a）第一性原理分析動力學模擬的初始構型，12個H原子分布在64個鐵原子（左）和32個MgSiO₃分子（右）的界面處，模擬過程中鐵和矽酸鹽都是熔體狀態；（b）模擬過程中12個氫原子的運動軌跡

綜合前人的實驗和計算數據分析（圖3），該文認為在還原條件下氫在鐵和矽酸鹽熔體之間的分配係數受溫度和壓力的影響不大，始終都具有明顯的親鐵性；而代表氧化條件的H₂O的分配係數在20-50 GPa之間受壓力的影響很大，前人在氧化條件下的實驗數據（Clesi et al., 2018；Malavergne et al., 2019）主要集中在5-20 GPa之間，同樣也顯示H的分配係數隨著壓力的升高而增大，在20 GPa左右氫會由親石轉變為親鐵。因此，作者推斷不管是還原條件還是氧化條件，核幔分異過程中地球上超過76%的氫都會分配進地核中，也就是說地核至少會含有5個大洋水（一個大洋水≈1.5×1021 kg）。依據圖3，在當前核幔邊界條件下，氫表現出明顯的親鐵性，由此作者認為地幔深部的異常區域（例如超低速帶和大型低剪切波速省）都應該是相對「乾燥」的。

圖3 不同溫壓條件下H和H₂O在鐵和矽酸鹽熔體之間的分配係數與前人實驗和計算結果的對比

對於地核是否是氫/水的儲庫這一問題，其實仍然有爭議和變數。除了氫元素，地核中還可能會有矽、硫、氧和碳等輕元素，這些輕元素之間也會相互影響。其實，該論文本身就報導了鐵熔體中O和H都傾向於與Fe成鍵，O和H之間存在競爭關係；結合他們分配係數的結果來看，O會減弱H的親鐵性，也就是說地核中氧的含量會影響氫的分配係數。地核中其它輕元素（Si、S、C等），對H分配係數的影響和制約，目前的認識幾乎還是空白，這將是未來更多高溫高壓實驗與第一性原理模擬研究關注的重點。

【致謝：感謝地星室張馳副研究員的寶貴修改建議。】

主要參考文獻

Clesi V, et al. Low hydrogen contents inthe cores of terrestrial planets[J]. Science Advance, 2018, 4(3), e1701876.

Kuramoto K. Partitioning of H and C between the mantle and coreduring the core formation in the Earth: its implications for the atmosphericevolution and redox state of early mantle[J]. Journal of Geophysical Research:Planets, 1996, 101: 14909-14932.

Li Y, Vocadlo L, Sun T, et al. The Earth's core as a reservoir ofwater[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(6): 453-458.

Malavergne V, et al. Experimental constraints on the fate of H and Cduring planetary core–mantle differentiation. Implications for the Earth[J]. Icarus, 2019,321: 473–485.

Okuchi T. Hydrogen Partitioning into Molten Iron at High Pressure:Implications for Earth's Core[J]. Science, 1997, 278(5344): 1781-1784.

Wu J, Desch S J, Schaefer L, et al. Origin ofEarth's water: chondritic inheritance plus nebular ingassing and storage ofhydrogen in the core[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2018,123(10): 2691-2712.

（撰稿：張志明，張志剛/地星室）

校對：覃華清