上海光源15U用户在揭示地球氧循环过程方面取得重大突破

2016/06/17 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

我们在地球生存,离不开空气中的氧气。其实在地球45亿年漫长的历史中,前一半的地质纪录显示空气中是没有氧的。24亿年前的一次“大氧化事件”之后,空气中的氧含量才突然提升到今日的水平,才有生物的存在、繁荣和演进。但长久以来,我们认为地球有个铁核,表示内部极度缺氧。大氧化事件不可能从内部取得来源。氧是如何产生的?一直是科学界未解的难题。

北京高压科学研究中心(简称高科)毛河光院士领导的团队,发现在地球1800公里之下的深处极端高温高压环境下,能造成含氧极高的过氧化铁FeO2。地面上司空见惯的沼铁矿FeOOH(也就是铁锈),到了深部就会变成过氧化铁,并产生氢。过氧化铁富集在地幔和地核的边界,能解释核幔边界观察到的一些地震波异常现象。其含氧的突然释放,也可能造成大氧化事件。这一研究成果以“FeO2 and FeOOH under deep lower-mantle conditions and Earth’s oxygen–hydrogen cycles”为题发表在6月9日最新一期《自然》杂志(Nature 534, 241)。

研究组利用上海同步辐射光源BL15U1线站和美国APS光源的线站,观察到赤铁矿与氧反应形成稳定的二价铁氧化物过氧化铁FeO2,在92GPa,2050K下,沼铁矿FeOOH分解产生FeO2并释放氢气。当沼铁矿随板块运动俯冲进入1800公里的深下地幔,将形成高密度过氧化铁沉到核幔边界,并释放氢,向上迁移。板块运动不断的提供沼铁矿,使得下地幔形成巨大的氧库同时维持氢循环。在核幔边界D”层探测到的地震异常信号,可能与大量的FeO2层有关;而在板块运动或喷发中FeO2矿物分解将释放氧气。

毛河光院士指出:这个发现表明地幔可能有更丰富的氧库存,而沼铁矿的分解又将氢循环联系起来,地球内部水循环提供了氧循环的路径;24亿年前氧含量的急剧提高这一地质事件的原因可能是FeO2层氧库向大气中释放形成;需开展关于过氧化铁物理、化学、矿物学性质的研究,进一步验证以上推断。 

文章链接:http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature18018

下地幔H-O-Fe循环示意图

 
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