28日，記者從中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所獲悉，該所聯(lián)合的多家合作團(tuán)隊(duì)，使用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，首次發(fā)現(xiàn)了地球深部地幔中超離子態(tài)的氫氧化鐵礦物。

此前，有理論預(yù)測(cè)水在極端高溫高壓條件下，會(huì)進(jìn)入一種介于固態(tài)冰與液態(tài)水之間的新形態(tài)——超離子態(tài)。這種形態(tài)下水分子中的氫原子會(huì)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(kuò)散，從而導(dǎo)致導(dǎo)電能力大幅度增加，使固態(tài)冰由絕緣體向?qū)w轉(zhuǎn)變。這種理論預(yù)測(cè)的“超離子態(tài)冰”直到2018年才被科學(xué)家采用光導(dǎo)率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法在動(dòng)態(tài)激光加載下證實(shí)。

地球表面覆蓋著大面積的水，然而地球內(nèi)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(nèi)部高溫高壓環(huán)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(dòng)而形成超離子態(tài)，對(duì)理解地球內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)、熱量傳導(dǎo)、磁場(chǎng)狀態(tài)、電場(chǎng)狀態(tài)和氫元素的循環(huán)等有著非比尋常的意義。

北京高壓科學(xué)研究中心胡清揚(yáng)研究員、劉錦研究員等人帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，與中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，使用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，首次發(fā)現(xiàn)了地球深部的超離子態(tài)——含水礦物羥基氧化鐵會(huì)在壓力大約75萬(wàn)大氣壓，溫度高于1500攝氏度的條件時(shí)進(jìn)入超離子態(tài)。這個(gè)溫度和壓力范圍，覆蓋了下地幔深部的大部分區(qū)域。國(guó)際期刊《自然·地球科學(xué)》發(fā)表了這一研究成果。

“這是地幔深部首次發(fā)現(xiàn)超離子態(tài)含水礦物。”北京高壓科學(xué)研究中心主任毛河光院士點(diǎn)評(píng)說(shuō)，傳統(tǒng)認(rèn)為地幔對(duì)流很慢，需要萬(wàn)年甚至百萬(wàn)年計(jì)。超離子態(tài)氫類似于液體，在高溫下可高速擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。它不但能快速傳遞熱能，同時(shí)由于氫具有質(zhì)量，因而也是物質(zhì)傳輸?shù)妮d體。這一發(fā)現(xiàn)，將使地幔對(duì)流速率提升幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)人們認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部物質(zhì)和能量循環(huán)將是顛覆性的。(趙漢斌)