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地核才是真“氢海”:氢含量或为海洋的70倍

phys.org网站当地时间5月12日报道,日本东京大学和北海道大学领导的团队以金刚石砧和化学物质模拟年轻的地核,首次通过高温高压实验证实:在极端条件下,氢与铁能够紧密结合。该发现解释了地壳中存在的大量氢。

高压砧的金属外壳和金刚石内齿。

由于极端深度、温度和压力,科学家无法直接探测地球内部深处的信息。因此,为更好地开展课题,研究人员使用地震数据确定了地底物质的组成和密度。在测定过程中,研究人员发现了一种奇特的现象:地核主要是由铁构成的,但它的密度(尤其是液体部分的密度)却低于预期值。由此,他们推测,铁周围一定含有丰富的轻质元素。他们用涉及金属铁和硅酸盐化合物的室内实验检测了水的行为,精确模拟了地球形成过程中的金属-硅酸盐(核-地幔)反应。研究人员发现,在地球内部的深处,当水遇到铁时,大部分氢会溶解到金属中,而氧气与铁反应后进入硅酸盐化合物中。

北海道大学的同位素成像实验室。

“在地表温度和压力条件下,氢不会与铁反应。但在更极端的情况下,情况可能会发生转变。”东京大学地球与行星科学博士生Shoh Tagawa说,“这样的极端条件不容易再现,在实验室内实现这些条件的最好方式是使用金刚石砧。这种高压砧能够在3100~4600开尔文下,产生30~60吉帕斯卡压力。”

高压实验样品。二次离子质谱高分辨率化学分析表明,硅酸盐熔体经液态铁压缩后残留了大量水分。

Kei Hirose教授与Tagawa等人将与地核和地幔中的化合物高度相似的金属和含水硅酸盐压缩到金刚石砧内,并用激光进行加热。为了分析样品的转化过程,他们还使用了高分辨二次离子质谱技术。最终他们证实,在极端条件下,氢具有亲铁性,能够与铁键合。

Hirose总结:“新发现将对地球科学研究产生深远影响。我们预计,地核中锁定的氢含量是海洋氢含量的70倍左右。如果这些氢仍然以水的形式存在,地球可能永远不会形成陆地,我们熟知的生命也永远不会进化。”

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编译:德克斯特 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《自然通讯》

期刊编号:2041-1723

原文链接:https://phys.org/news/2021-05-hydrogen-earth-core-oceans.html

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