科學家首次發現地球內部超離子態礦物相

北京高壓科學研究中心研究員胡清揚、Duckyoung Kim和劉錦帶領的團隊，利用理論計算和實驗相結合的方法首次發現：地球深部的含水礦物——羥基氧化鐵（FeO2H）會在約75萬大氣壓、1500攝氏度以上時進入超離子態，而這個温度和壓力範圍覆蓋了下地幔深部的大部分區域。相關工作近期發表於《自然—地球科學》雜誌。

深下地幔高導電的超離子態

約30年前有理論預測，水（H2O）在極端高温高壓條件下會進入一種介於固態冰與液態水之間的新形態——超離子態。這種形態下，水分子中的氫原子會脱離晶格的束縛而在固體氧原子晶格中像液體一樣自由擴散，從而使固態冰由絕緣體嚮導體轉變。這種理論預測的“超離子態冰”直到2018年才被科學家採用光導率測量的實驗方法證實。

不同於超離子冰中的固體氧晶格，地球下地幔礦物主要由鎂、鐵、硅和氧等原子組成晶格。在地球內部高温高壓環境下，氫原子能否像在氧晶格中一樣在複雜的含水礦物晶格中自由流動而形成超離子態？這一問題的答案對於理解地球內部的物質循環、熱量傳導、磁場狀態、電場狀態和氫元素的循環等具有深刻的影響。

上述研究團隊首先通過理論計算發現在超離子態下，自由移動的氫離子會導致FeO2H的電導率在相變點突然增加。隨後通過高温高壓下的電導率測量，他們發現在100萬-121萬大氣壓下，當FeO2Hx被加熱到1500-1700攝氏度時，其電導率增大了兩倍。高温促使氫離子像自由電子一樣在FeO2晶格中自由移動，從而使電導率急劇增加。電導率的突變是超離子態最直接最強有力的證據，因此研究人員認為FeO2Hx 在此温度壓力條件下進入了超離子態。

FeO2H是地幔深部首個被發現的超離子態含水礦物。傳統上認為受制於固體相的高黏性，地幔對流是很慢的，時常需要以萬年甚至百萬年為單位的地幔內部的活動。超離子態氫類似於液體，在高温下能進行高速擴散運動。它不但能快速傳遞熱能，同時由於氫具有質量，因而也是物質傳輸的載體。這一發現將使得地幔對流速率比以往提升數個數量級，並對於地球內部的物質和能量循環產生巨大的改變。

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