2020-05-22 23:51:01
在水的存在下地球的下地幔会被氧化

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如果我们从地球表面到中心,那么中点大约位于下地幔的1900公里处。下地幔的深度从660到2900 km不等,占地球总量的55%。下地幔的化学成分相当简单。长期以来,它被描绘成由2种主要矿物质(约95%)组成,分别是水辉石和铁镁硅石。最近,这种模式直接受到下地幔中一系列发现的挑战。

“主要的下地幔成分之一,铁镁铁(镁,铁)O遇水后会变成黄铁矿型结构。这种有趣的化学反应仅发生在地球深层的下地幔中,该深层在1900至2900公里之间, ” HPSTAR的胡庆阳说。 “该反应产生所谓的氧过量相,或简称为超氧化物。下地幔在水的存在下被氧化。”通常,当化合物中的所有氧原子与金属原子键合时,它们称为氧化物。但是,如果化合物具有成对的氧原子,如氧-氧键,它将成为超氧化物。尽管自然界中很少发现超氧化物,但它可能在地球深部的下地幔中很常见。

HPSTAR的Jin Liu补充说:“我们还发现,上地幔中主要的矿物橄榄石及其高压相沃兹利石分解成超氧化物。”考虑到地幔的深度,很少有方法可用于科学家探测下地幔的矿物学。 “我们的实验非常具有挑战性。我们输入了适当的参数,例如压力,温度和起始矿物质。然后,我们研究了包括化学反应,新的矿物组合及其密度分布在内的输出。这些参数使我们能够更好地约束下层矿物的性质。与下地幔被高度还原的范式相反,我们的结果表明,深的下地幔至少在存在水的地方被局部氧化。”

小组成员研究了存在于地球表面的矿物,方法是将它们挤压在两块钻石砧之间,以产生约1亿倍的海平面气压,并使用红外激光加热它们,然后使用X-电池分析样品射线和电子探针。实验模仿了地球深部下地幔中的极端压力-温度条件。

先前的实验探索了在没有水的情况下干燥矿物的集合体。那些实验报告说,在下地幔中,桥锰矿(和/或后桥锰矿)和铁镁硅石是最丰富和稳定的矿物。但是,当引入水时,在深部较低的地幔条件下,阿魏酸酯酶会被部分氧化成超氧化物。经过验证,超氧化物能与桥锰矿和后桥锰矿保持和谐。

这种新的水幔化学物质可以与固体地球中的水循环密切相关。每年,数十亿吨的海水在构造板块边界落入地球深处。一些水通过水下火山和热气喷口返回,而另一些则深入到地球内部。 “我们的实验表明深水是地幔化学的重要组成部分。水循环可以延伸到深地幔,在该处水具有非凡的氧化能力,产生高度氧化的超氧化物并释放氢,” HPSTAR的Ho-kwang Mao博士建议。 “下地幔可以同时被氧化和还原。”

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