看熱訊:新研究顯示地球的內(nèi)部核心可能富含氧氣
【資料圖】
中國航空報(bào)訊:氧氣是生命的關(guān)鍵物質(zhì),是地球上最豐富的元素之一。然而,在幾乎由純鐵組成并處于極端高壓和高溫條件下的內(nèi)核中,氧氣是否存在以及以何種形式存在仍然是一個(gè)未知數(shù)?,F(xiàn)在,科學(xué)家揭示,富含鐵的Fe-O合金在近300GPa的極端壓力和超過3000K(約2726攝氏度)的高溫下是穩(wěn)定的。該結(jié)果證明了氧氣可以存在于固體內(nèi)核中,這為進(jìn)一步了解地核的形成過程和演化歷史提供了關(guān)鍵的因素。
這項(xiàng)研究由HPSTAR(高壓科學(xué)與技術(shù)高級研究中心)的劉進(jìn)博士和哥倫比亞大學(xué)的孫楊博士共同領(lǐng)導(dǎo),最近發(fā)表在《創(chuàng)新》雜志上。
作為地球上最神秘的地方之一,地球的固體內(nèi)核處于地球上最極端的溫度和壓力環(huán)境中,其壓力超過300萬個(gè)大氣壓,溫度接近太陽表面,約6000K(約5726攝氏度)。由于內(nèi)核遠(yuǎn)非人類所能觸及,我們只能從地震產(chǎn)生的地震信號中推斷其密度和化學(xué)成分。
目前,人們認(rèn)為內(nèi)核中存在輕質(zhì)元素,但其類型和含量仍有爭議。宇宙化學(xué)和地球化學(xué)證據(jù)表明,它應(yīng)該含有硫、硅、碳和氫。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算也證實(shí),這些元素與純鐵混合,在地球深處的高溫高壓條件下形成各種鐵合金。
然而,與我們密切相關(guān)的氧,通常認(rèn)為被排除在內(nèi)核之外。這主要是因?yàn)樵诘乇砘虻蒯-h(huán)境中從未發(fā)現(xiàn)過富含鐵成分的鐵-氧合金。所有已知的鐵氧化物中的氧含量都大于或等于50個(gè)原子百分比。盡管人們一直在試圖合成具有富鐵成分的氧化鐵化合物,但這種物質(zhì)還從未被發(fā)現(xiàn)。地球的內(nèi)部核心是如此“缺氧”嗎?為了回答這個(gè)問題,本研究進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算。
為了接近地心的溫度和壓力,將純鐵和氧化鐵放在兩個(gè)鉆石砧的尖端,用高能激光束進(jìn)行加熱。經(jīng)過多次嘗試,發(fā)現(xiàn)在220~260GPa和3000K以上,鐵和氧化鐵之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。X射線衍射分析(XRD)結(jié)果顯示,反應(yīng)產(chǎn)物與純鐵和氧化鐵的常見高溫高壓結(jié)構(gòu)不同。
使用遺傳算法進(jìn)行的理論晶體結(jié)構(gòu)搜索證明,富鐵的Fe-O合金可以在大約200GPa下穩(wěn)定存在。在這樣的條件下,新的富含鐵的Fe-O合金形成了一個(gè)六邊形的緊密堆積結(jié)構(gòu),其中氧層被安排在鐵層之間以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這樣的機(jī)制產(chǎn)生了許多密包排列,形成了一個(gè)具有大構(gòu)型熵的富含鐵的Fe-O化合物大家族。
基于這一理論信息,發(fā)現(xiàn)Fe28O14的原子構(gòu)型與實(shí)驗(yàn)測量的XRD圖案相匹配。進(jìn)一步的計(jì)算表明,富含F(xiàn)e-O的相是金屬性的,與低壓下的普通鐵氧化物形成對比。電子結(jié)構(gòu)取決于氧的濃度以及鐵和氧層的排列。該合金的機(jī)械性能和熱性能需要在未來進(jìn)一步研究。
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