科学家发现新型一维超离子态，揭示地球深部或藏“汪洋大海”

发布时间：2023-10-12 14:00:18 所属栏目：动态来源：

导读：地球，有时也被称为“水球”。对于地球地表人们常用“三分陆地，七分海洋”来形容。

事实上，地球深部可能也有“大江大河”，即可能也蕴藏着“汪洋大海”。最近，北京高

地球，有时也被称为“水球”。对于地球地表人们常用“三分陆地，七分海洋”来形容。

事实上，地球深部可能也有“大江大河”，即可能也蕴藏着“汪洋大海”。最近，北京高压科学研究中心胡清扬研究员和合作者探索了这一问题。

整体来看，该成果可以改变人类对于主要矿物储水的传统印象，为揭示二氧化硅在地幔深部的储水机制提供了精细的晶体结构，这个研究可能会推翻长久以来的有关含水矿物在水循环中储存方式的认知；同时也可以帮助我们了解地球的深处运作规律。

此外，斯石英的一维含水通道超结构，也丰富了人们对于含水矿物中缺陷结构的认知，它提示着地球深部水储库不仅可以通过化学键或离子替代方式存在，也可能储藏在“通道”之中。

据介绍，地球表面超过70% 的面积都被海洋所覆盖，科学家认为海洋可能孕育了地球上最原始的生命，海洋控制着全球地表的气候变化，在一个漫长的古生代的地球演化过程中不断塑造着令人印象深刻的地表形态。

水的重要性不言而喻，没有水就没有我们今天赖以生存的宜居地球。但很多人不知道的是，在我们看不到的地球深部也蕴藏着“汪洋大海”。

金刚石包裹体，是一种重要的化学惰性“容器”。它能将在高压之下形成的矿物碎片的原始结构和化学成分加以保存。2018 年，科学家在来自地下 660 公里的金刚石包裹体中发现了地幔原生的冰。由此可见，地球确实是一颗名副其实的“水球”。

在海洋底部，地表海水通过裂缝或孔隙，渗入到大洋岩石圈之中，通过在壳幔中发生矿物反应，从而生成含水矿物。这时，海水会被储存在这些矿物的晶体结构中。当大洋板块被俯冲之后，海水就会被带入地球深部。

二氧化硅是地表最常见的造岩矿物，也是俯冲洋壳玄武岩的主要成分之一。二氧化硅在高温高压条件下有着多种同素异形体，其中斯石英是二氧化硅在深部地幔主要的高压相。

此前，不同课题组都曾对斯石英的储水能力加以测试，但是结果却大相径庭，有百万分之一数量级，也有百分之几数量级的。如果是百分之的数量级，地球深部的石英可能储存几个大洋的水，这足以调控全球水循环。

有学者认为氢离子通过替换斯石英晶格中的硅原子形成电缺陷；也有研究表明，含水斯石英中的水是以分子水的形式，存在于斯石英的晶格间隙中。为了探索这一问题，他和课题组开展了本次研究。

当水进入斯石英中，课题组预测斯石英超结构的体积会显著膨胀。为了验证理论预测的结果，他们在地幔过渡带与下地幔边界的温度条件和压力条件之下，成功合成了高质量的含水斯石英单晶样品。

该样品含有一些结构羟基，针对此他们分析了样品中羟基的拉曼光谱和红外光谱，结果发现羟基振动峰的数目和位置，与其他课题组报道的离子替换结构含水基石英存在较大差异。但却与该团队自己搜索得到的含水斯石英超结构更加吻合。

为此，课题组成员托马斯·梅尔（Thomas Meier）博士在楞次磁透镜（Lenz lens）的帮助之下，让通过样品腔的磁通量得以增大，借此首次探测到亚微米样品的核磁共振光谱信号。测试结果显示样品中氢原子间距为 2.05Å。

这与他们通过理论计算预测的结构模型非常吻合，也意味着通过样品合成和表征实验，他们由此可以证实基于含水超高温斯石英的一维含水通道引起的超多边形结构相互作用是真实存在的。

据介绍，地球深部的主要矿物一般只能储存微量的水，因为水通过缺陷的形式随机分布在矿物中。而本次研究发现深部的水能和矿物一起形成有序的超结构，从而产生一类新的超结构矿物。

因此，地球深部可能也有“大江大河”。虽然其表现形式与地球地表的河流和海洋并不相同。但是，假如这一观点能被更多后续工作认证，则将说明相比地球地表，地球深部将成为更大的水源。

目前，他们已经通过理论计算预测了含水石英在高温高压下的超离子态转变。接下来，课题组正在考虑从实验上进一步去验证这一结论。

（编辑：汽车网）

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