上海光源用戶在揭示地球氧循環(huán)過程方面取得突破

　　我們在地球生存，離不開空氣中的氧氣。其實在地球45億年漫長的歷史中，前一半的地質(zhì)紀錄顯示空氣中是沒有氧的。24億年前的一次“大氧化事件”之后，空氣中的氧含量才突然提升到今日的水平，才有生物的存在、繁榮和演進。但長久以來，科學家認為地球有個鐵核，表示內(nèi)部極度缺氧。大氧化事件不可能從內(nèi)部取得來源。氧是如何產(chǎn)生的？一直是科學界未解的難題。

　　北京高壓科學研究中心（簡稱高科）毛河光領導的團隊，發(fā)現(xiàn)在地球1800公里之下的深處極端高溫高壓環(huán)境下，能造成含氧極高的過氧化鐵FeO2。地面上司空見慣的沼鐵礦FeOOH（也就是鐵銹），到了深部就會變成過氧化鐵，并產(chǎn)生氫。過氧化鐵富集在地幔和地核的邊界，能解釋核幔邊界觀察到的一些地震波異?，F(xiàn)象。其含氧的突然釋放，也可能造成大氧化事件。這一研究成果以FeO2 and FeOOH under deep lower-mantle conditions and Earth’s oxygen–hydrogen cycles 為題發(fā)表在6月9日最新一期《自然》雜志（Nature 534, 241）。

　　研究組利用上海同步輻射光源BL15U1線站和美國APS光源的線站，觀察到赤鐵礦與氧反應形成穩(wěn)定的二價鐵氧化物過氧化鐵FeO2，在92GPa，2050K下，沼鐵礦FeOOH分解產(chǎn)生FeO2并釋放氫氣。當沼鐵礦隨板塊運動俯沖進入1800公里的深下地幔，將形成高密度過氧化鐵沉到核幔邊界，并釋放氫，向上遷移。板塊運動不斷地提供沼鐵礦，使得下地幔形成巨大的氧庫同時維持氫循環(huán)。在核幔邊界D”層探測到的地震異常信號，可能與大量的FeO2層有關；而在板塊運動或噴發(fā)中FeO2礦物分解將釋放氧氣。

　　毛河光指出：這個發(fā)現(xiàn)表明地?？赡苡懈S富的氧庫存，而沼鐵礦的分解又將氫循環(huán)聯(lián)系起來，地球內(nèi)部水循環(huán)提供了氧循環(huán)的路徑；24億年前氧含量的急劇提高這一地質(zhì)事件的原因可能是FeO2層氧庫向大氣中釋放形成；需開展關于過氧化鐵物理、化學、礦物學性質(zhì)的研究，進一步驗證以上推斷。

下地幔H-O-Fe循環(huán)示意圖