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南开大学科研人员为地球水起源提供新思路
来源: 发稿时间:2022-01-22 17:52

核幔分离过程中地球深处可以存在巨大的水库

  南开新闻网讯(记者 乔仁铭)“地球的水从何而来”是一个由来已久的谜,这对于理解生命是如何出现以及地球内部动力学是如何随时间演化至关重要。

  日前,南开大学物理科学学院李含飞博士、董校副教授及其合作者对这个重要科学问题给出了新的思路。相关论文“Ultrahigh-Pressure Magnesium Hydrosilicates as Reservoirs of Water in Early Earth”1月21日发表在物理学顶尖期刊《Physical Review Letters》(《物理评论快报》)上,并被列为编辑精选(Editor’s Suggestion)。物理成果报道杂志《Physics》特邀为其撰写专题文章。

  目前,关于水的起源有两个争议的观点:一是“地狱起源说”:水来自于地球深处,即地球在吸积期获得了大量的水,并储藏与地球内部;二是“天堂起源说”:在地球形成后,富水陨石轰炸提供了大量的水。

  最近,越来越多的证据支持第一种假设。氘/氢(D/H)比被认为是水起源的指纹,提供了一个有力的证据:地球深部地幔的D/H比很低,接近于早期地球的基本组件顽辉石球粒陨石和原始太阳星云,远低于彗星等太阳系外围物质。这给地球内部的水可能直接来自原太阳星云提供了有力证据。

  然而,这一假说存在相当大的问题。与其他行星材料如铁、硅酸盐相比,水的熔点和沸点要低得多,因此在新生地球的数千度的炙热表面,水会被蒸发到太空中。由此可见,水只能存在于在地球新生吸积期储存于地球内部深处,同时在新生地球演化到一定程度时将水释放出来。然而这一过程中的物质存储形式却尚不明确。

  董校副教授长期从事极端条件下水合物的设计以及物性预测的研究,通过第一性原理计算和结构预测方法,发现两种新的水合硅酸镁相在数百万大气压稳定。其中,α‑Mg2SiO5H2稳定在262–338 GPa,β‑Mg2SiO5H2 338 GPa 以上稳定(对比如今核幔分界处的压力为136 GPa,地球中心的压力为360 GPa)。两者结构上的区别为β‑Mg2SiO5H2拥有首次预言的镁离子9配位形式。进一步研究发现,两者在高温下都具有准一维质子扩散的超离子导体形式。

  

两种Mg2SiO5H2的结构

  第一性原理计算表明,在300 GPa,α‑Mg2SiO5H2和β‑Mg2SiO5H2有非常高的密度和极高的含水量。其中Mg2SiO5H2含有11.4 wt %的水,只略微少于δ‑AlO2H和H相(MgSiO4H2)中约15wt %的含水量,高于大多数其他报道的水合硅酸盐和氢氧化物的含水量。分子动力学计算预测,Mg2SiO5H2 耐热性远好于其他含水矿物,在高达8000K的温度下,也没有融化的迹象。

含水硅酸盐参与的早期地球演化过程

  在早期地球内部,因为核幔尚未分离,硅酸盐和过量的氧化镁可能深入到地球内部深处,从而承受远比现今更高的压力,比如高于262 GPa,而此时则可以以Mg2SiO5H2 的形式储存水分。

  计算表明,理想状态下早期地球内部以Mg2SiO5H2 的形式可以储存8倍现今海洋质量的水。而后随着核幔分离的进行,铁质核区逐渐长大,从而将硅酸盐抬高并降低其所受压力,从而迫使Mg2SiO5H2分解释放水分。而释放出的水分通过复杂的地球物理和化学过程返回地表,而此时,地表已经足够冷却能够保证液态水的存在,形成原始海洋。而Mg2SiO5H2的分解产物,MgSiO3和MgO,它们仍然在下地幔发挥着重要作用。同时Mg2SiO5H2的发现对于人类认识其它类地行星,尤其是超级地球中的物质循环也具有重要意义。

  综上所述,该项工作填补了含水硅酸盐体系在数百GPa压力下物质存在形式的空白,开拓了早期地球水和轻元素循环的新视角,加深了人们对核幔分离过程中物质存在和循环过程的理解。

  在同一期《Physical Review Letters》中,南京大学的孙建教授发表了一个相关的体系H-Si-O并着重阐述了该体系中新发现的化合物在天王星、海王星等冰行星中的影响。《Physics》特邀为这两篇工作撰写了专题评论文章 “Mineral Candidates for Planet Interiors”,其中法国天文学家Tristan Guillot评价“两篇工作都是有重大潜在应用价值的创新工作”。

  《Physical Review Letters》是美国物理学会(American Physical Society)于1958年创办的物理学综合性期刊,属于物理学顶级刊物,主要发表重要的物理研究成果。《Physics》为美国物理学会创办的科学报道期刊,主要针对最新的重要科研成果进行报道,前身为《Physical Review Focus》,在学界具有很大影响力。

  该工作得到了国家自然科学基金、天津市自然科学基金、广州超算中心、南开大学超算中心及其他相关基金资助或支持。

  相关链接:

  论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703

  《Physics》评论文章链接:https://physics.aps.org/articles/v15/9

编辑:乔仁铭

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