新研究显示地球的内部核心可能富含氧气

志愿者1号

中国航空报讯：氧气是生命的关键物质，是地球上最丰富的元素之一。然而，在几乎由纯铁组成并处于极端高压和高温条件下的内核中，氧气是否存在以及以何种形式存在仍然是一个未知数。现在，科学家揭示，富含铁的Fe-O合金在近300GPa的极端压力和超过3000K（约2726摄氏度）的高温下是稳定的。该结果证明了氧气可以存在于固体内核中，这为进一步了解地核的形成过程和演化历史提供了关键的因素。

这项研究由HPSTAR（高压科学与技术高级研究中心）的刘进博士和哥伦比亚大学的孙杨博士共同领导，最近发表在《创新》杂志上。

作为地球上最神秘的地方之一，地球的固体内核处于地球上最极端的温度和压力环境中，其压力超过300万个大气压，温度接近太阳表面，约6000K（约5726摄氏度）。由于内核远非人类所能触及，我们只能从地震产生的地震信号中推断其密度和化学成分。

目前，人们认为内核中存在轻质元素，但其类型和含量仍有争议。宇宙化学和地球化学证据表明，它应该含有硫、硅、碳和氢。实验和计算也证实，这些元素与纯铁混合，在地球深处的高温高压条件下形成各种铁合金。

然而，与我们密切相关的氧，通常认为被排除在内核之外。这主要是因为在地表或地幔环境中从未发现过富含铁成分的铁-氧合金。所有已知的铁氧化物中的氧含量都大于或等于50个原子百分比。尽管人们一直在试图合成具有富铁成分的氧化铁化合物，但这种物质还从未被发现。地球的内部核心是如此“缺氧”吗？为了回答这个问题，本研究进行了一系列的实验和理论计算。

为了接近地心的温度和压力，将纯铁和氧化铁放在两个钻石砧的尖端，用高能激光束进行加热。经过多次尝试，发现在220~260GPa和3000K以上，铁和氧化铁之间发生了化学反应。X射线衍射分析（XRD）结果显示，反应产物与纯铁和氧化铁的常见高温高压结构不同。

使用遗传算法进行的理论晶体结构搜索证明，富铁的Fe-O合金可以在大约200GPa下稳定存在。在这样的条件下，新的富含铁的Fe-O合金形成了一个六边形的紧密堆积结构，其中氧层被安排在铁层之间以稳定结构。这样的机制产生了许多密包排列，形成了一个具有大构型熵的富含铁的Fe-O化合物大家族。

基于这一理论信息，发现Fe28O14的原子构型与实验测量的XRD图案相匹配。进一步的计算表明，富含Fe-O的相是金属性的，与低压下的普通铁氧化物形成对比。电子结构取决于氧的浓度以及铁和氧层的排列。该合金的机械性能和热性能需要在未来进一步研究。