水氧化還原揭示地幔深部化學新世界—新聞—科學網

2021-01-13 科學網

 

北京高壓科學研究中心研究員胡清揚和劉錦通過雷射加熱及同步輻射X射線衍射技術，發現下地幔主要成分之一的鐵方鎂石遇到水或含水礦物時，會發生化學反應生成一種新的礦物相併釋放出氫氣。該研究豐富了地幔礦物的組成並對地表及地球內部的氫、氧循環提出了新的見解。相關研究以Mineralogy of the deep lower mantle in the presence of H2O為題發表於近期的《國家科學評論》。

該團隊近年來的一系列研究發現，下地幔的鐵氧化物及地核中的鐵遇到水都會生成過氧化鐵氫化物並釋放出氧氣。然而，下地幔中純的鐵及其鐵氧化物不是主要礦物組分，而是布裡奇曼石與方鎂鐵礦(Mg, Fe)O。那麼，約佔下地幔20%的方鎂鐵礦遇到含水礦物會起什麼反應呢？

此次研究人員繼續使用高溫高壓實驗研究方鎂鐵石與水的化學反應，發現在距離地表1700-2900千米深度的溫度和壓力條件下，鐵方鎂石也會與水反應，同樣生成類似的過氧氫化物——(Mg,Fe)O2Hx，並釋放氫氣。

在下地幔深部，該化合物可以與下地幔主要礦物布裡奇曼石，及其後鈣鈦礦高壓相穩定共存，表明這種新的化合物有可能是下地幔的重要礦物相之一。

該礦物相與新近發現的(Mg, Fe)2O3+d一起均可歸類於富氧氧化物。在地球表面，富氧氧化物的化學性質通常不穩定，而在高壓環境下，富氧氧化物可以在下地幔礦物環境中穩定存在。可以說，地球深部的高溫高壓環境提供了富氧氧化物穩定存在的物質條件。

研究小組還發現富氧氧化物與地球內部水的循環緊密相關，當水或含水礦物到達了一定深度,如1700千米或更深，將與地球深部的主要礦物發生氧化還原反應，在生成(Mg, Fe)O2的同時釋放氫氣，而氫氣在上升的過程中又會重新與氧元素結合，重組為水。

水在這一往復循環中總量大致不變，起了類似催化劑的作用。水不僅是生命之源，也在地球內部的化學平衡起關鍵作用，是地球宜居的最重要原因之一。

下地幔深部的氧化還原分界面。分界面以下存在一個富氧氧化物可穩定存在的新的化學世界。

相關論文信息：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa098/5836735

 

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