科學家發現地幔深部超離子態含水礦物 將使地幔對流速率提升數量級

28日，記者從中國科學院地球化學研究所獲悉，該所聯合的多家合作團隊，使用理論計算和實驗相結合的方法，首次發現了地球深部地幔中超離子態的氫氧化鐵礦物。

此前，有理論預測水在極端高溫高壓條件下，會進入一種介于固態冰與液態水之間的新形態——超離子態。這種形態下水分子中的氫原子會脫離晶格的束縛而在固體氧原子晶格中像液體一樣自由擴散，從而導致導電能力大幅度增加，使固態冰由絕緣體向導體轉變。這種理論預測的“超離子態冰”直到2018年才被科學家采用光導率測量的實驗方法在動態激光加載下證實。

地球表面覆蓋著大面積的水，然而地球內部不存在或含有極少量的自由水，尤其在下地幔深部，水是以羥基形式賦存在礦物中。不同于超離子冰中的固體氧晶格，下地幔礦物主要由鎂、鐵、硅和氧等原子組成晶格。在地球內部高溫高壓環境下，氫原子能否像在氧晶格中一樣在含水礦物晶格中自由流動而形成超離子態，對理解地球內部的物質循環、熱量傳導、磁場狀態、電場狀態和氫元素的循環等有著非比尋常的意義。

北京高壓科學研究中心胡清揚研究員、劉錦研究員等人帶領的團隊，與中國科學院地球化學研究所地球內部物質高溫高壓重點實驗室合作，使用理論計算和實驗相結合的方法，首次發現了地球深部的超離子態——含水礦物羥基氧化鐵會在壓力大約75萬大氣壓，溫度高于1500攝氏度的條件時進入超離子態。這個溫度和壓力范圍，覆蓋了下地幔深部的大部分區域。國際期刊《自然·地球科學》發表了這一研究成果。

“這是地幔深部首次發現超離子態含水礦物。”北京高壓科學研究中心主任毛河光院士點評說，傳統認為地幔對流很慢，需要萬年甚至百萬年計。超離子態氫類似于液體，在高溫下可高速擴散運動。它不但能快速傳遞熱能，同時由于氫具有質量，因而也是物質傳輸的載體。這一發現，將使地幔對流速率提升幾個數量級，對人們認識地球內部物質和能量循環將是顛覆性的。(趙漢斌)