在地球深处，氧化铁能承受极端的温度和压力

魏洋1

地幔底部附近富含铁的山区(暗红色)影响了到达地表并形成火山活动的地幔柱的上升流。信用:加州理工学院

（）据加州理工学院（Lori Dajose）：地核-地幔边界(CMB)是地球铁金属地核和地核上方厚厚的地幔岩石层之间的界面。这是一个极端的世界——数千华氏度的温度和超过地球表面压力一百万倍的压力。虽然它可能看起来离我们地球表面的环境很远，但来自CMB的物质羽状物可以在几千万年内向上穿过地球，影响我们居住的地表世界的化学、地质结构和板块构造。

尽管科学家们不能到地球中心去研究CMB，但他们可以通过测量地震来获得关于地球表面下存在什么的线索。地震波以不同的速度传播，这取决于它们穿过的物质，这使得研究人员可以利用地震信号来推断地表深处的情况。这类似于超声波使用声波在人体内部成像。

最近的研究表明，地球地幔的底部实际上是复杂和不均匀的——特别是，在一些类似山脉的区域，地震波会神秘地变慢。这些被命名为超低速度区(ULVZs)的气泡是由加州理工学院的Don Helmberger首先发现的，有几十公里厚，位于我们脚下约3000公里处。

威廉·e·莱昂哈德矿物物理学教授詹妮弗·杰克逊说:“因为我们不能简单地下到CMB并进行测量，所以对于一个对我们星球的演化如此重要的区域，有许多悬而未决的问题。”“ULVZs为什么存在，它们是由什么组成的？关于地球是如何演化的，该区域在地球动力学中扮演了什么角色，它们教给了我们什么？在CMB的极端条件下，液滴是固态还是熔融态？”

2010年，杰克逊和她的团队提出，这些气泡比它们周围的地幔含有更高的氧化铁含量。固体氧化铁会减慢地震波的速度，这可以解释为什么测得的穿过气泡的速度很低。但是在CMB的极端温度和压力下，氧化铁甚至可能是固体吗？

现在，杰克逊实验室的一项新研究对氧化铁在类似CMB的温度和压力范围内的行为进行了详细的测量。由此产生的所谓相图表明，与以前的理论相反，氧化铁即使在非常高的温度下也保持固态。这代表了迄今为止最强有力的证据，表明固体富铁区域是ULVZs的现实解释，并可能在深层羽流生成中发挥关键作用。这些发现激发了未来对固体富铁材料的研究，以更好地了解地球的深层内部。

描述这项研究的论文发表在11月13日的《自然通讯》杂志上。

在原子水平上，固体氧化铁由铁和氧原子以有序重复的模式整齐排列而成。随着固体开始融化，原子失去了严格有序的结构，开始流动。这项新研究由前加州理工学院研究生vasi lije Dobrosavljevic(22年博士)领导，旨在通过实验确定这种转变发生的温度和压力。

几十年来，在实验中达到极端温度和压力一直是可能的，但实验需要极小的样本，小于人类头发的平均宽度。使用如此小的样本，检测材料开始从固态向液态转变的精确温度是一项挑战。十多年来，杰克逊和他的合作者一直在开发一种在高压下探测熔化的技术。这项新研究利用这种被称为穆斯堡尔光谱学的精确技术来观察铁原子的动态配置。

“我们用穆斯堡尔来回答关于铁原子动态运动的问题，”Dobrosavljevic说。“在大约100纳秒的短时间内，我们想知道:它们是像在固体中一样几乎不动，还是像在液体中一样动了很多？我们的新研究用一种独立的方法——X射线衍射——补充了穆斯堡尔谱学，使我们能够观察样品中所有原子的位置。”

在一系列温度和压力下进行了几十次实验后，研究小组发现，在地球CMB的压力下，氧化铁的熔化温度比之前估计的要高:超过4000开尔文，相当于大约6700华氏度。

这项研究还得出了一个意想不到的结果，即铁材料中所谓的原子缺陷。

研究人员已经知道，在海平面压力下，每个氧化铁样品的原子结构中都有微小的规则排列的缺陷。对于每100个氧原子，只有大约95个铁原子，这意味着大约有5个铁原子“失踪”研究人员就这些原子级缺陷如何在更大范围内影响材料展开了辩论——例如，它如何导电和导热，或者在压力下变形等等。这些参数对于理解行星内部至关重要，在行星内部，热流和物质变形驱动着行星动力学。然而，缺陷在高压和高温下的行为，就像在CMB发现的那样，直到现在还是未知的。

Dobrosavljevic和他的团队发现，在比氧化铁熔点低几百开尔文的温度下，微小的原子缺陷开始在固体材料中四处移动，变得“无序”这可以解释为什么以前的实验表明氧化铁在较低的温度下熔化:那些实验实际上看到的是缺陷的转移，而不是整个晶体结构的熔化。

“在固体晶体转变为液体之前，我们看到缺陷结构经历了从有序到无序的转变，”他说。“现在我们想知道这个新发现的转变对像ULVZ这样的富铁区域的物理性质有什么影响？这些缺陷如何影响热量的传输，对于到达地表的上升流羽流的形成和生成意味着什么？这些问题将指导进一步的研究。”

这篇论文的题目是“FeO中的熔化和缺陷转变直到地球核-幔边界的压力”。