毛河光团队发现深藏在地核附近巨大的产氢储氧机制

《国家科学评论》(National Science Review) 近日在线发表了毛河光团队建立的北京高压科学研究中心（高科中心）报道的新发现。他们利用高温高压实验，证实了地核的铁接触到下沉板块带下去的水时会发生化学反应，释放巨量的氢，留下巨量的氧。该发现一举颠覆了以往对空气中氧气来源的理解、地球深部氢气的产生、以及全球三维水循环的机制等地学的三大基本思维。

我们呼吸的空气中的氧气，在地球46亿年的悠久历史中，原是新生事物。 前一半岁月，空气中并没有氧，需要氧的生物无从产生。然而在24亿年前突然发生了大氧化事件(Great Oxidation Event, GOE)，氧剧增到大气的五分之一左右，而且维持至今，这才有后来的生物演化和人类起源。大氧化前后无数地质记录，已证实此事件的发生。唯一的困惑是氧从哪里来的？地核是金属铁，一般认为地球内部很缺氧，无法无中生有从深部挤出氧来。因此传统的解释是由蓝藻菌的光合作用，把地面的二氧化碳转化成氧。这个假说需要全球长期铺满极厚的蓝藻菌，尚无令人信服的证据。

2013年高科中心在上海浦东成立后，开始探索一个新思维：会不会地球深部的含氧量很不均匀，可以局部储存大块的富氧物质，突然释放氧造成大氧化事件呢？先要解决的问题是富氧物质是什么？怎么会在缺氧的环境中产生的？

高科中心的金德荣研究员，用第一性原理物理计算方法，在高温高压条件下，找到一个前所未知非常富氧的过氧化铁（FeO2）。高科中心胡清扬研究员，利用高温高压设备（杨留响研究员搭建）和高压多晶X光衍射法（张莉研究员新发明），在相当于下地幔深部的压力 (约75万大气压)和温度（约两千摄氏度），用实验证明了沼铁矿（FeO2H）会释出氢而变成过氧化铁。沼铁矿也就是常见的铁锈聚集成的铁矿。大块的沼铁矿随板块运动下沉到地幔的温度压力下，确实能形成富氧块，这项研究说明了地球深部可能有富氧块，发表在2016年《自然》期刊上（Hu, et al., Nature 2016)，引起了广泛关注。

释放氢气是一个压力引起的化学现象，胡清扬细致的测定了释放一部分氢形成有残余氢的过氧化铁，发表在《美国科学院院报》上（Hu, et al., PNAS, 2017）。高科中心博士后朱升财更用分子动力学计算，在《美国化学会志》（Zhu, et al., JACS, 2017）上发表预测在沼铁矿到过氧化铁的转化中，有一半的氢会被释放。

这些过氧化铁都来自储量有限的沼铁矿。要用以解释大氧化事件，还须另有足够的来源。毛河光想到地核有无限量的铁，下沉的板块充满了含水矿物。水被带到地核接触到铁，会起什么反应呢？在常压大多数金属，如钠、镁、铝、锌等，遇到水会形成氧化物，并释放氢。铁是例外，遇到水只是生锈。高科中心团队与美国卡耐基研究院、斯坦福大学等合作，在阿贡国家实验室先进光子源同步辐射大装置，继续进行水和铁高温高压化学反应的计算和实验。发现经过一系列氧化铁、氢化铁等中间产物，最终的产物仍是过氧化铁并释放氢！下沉的板块每年可以输送三亿吨水到地核，亿万年累积出几十公里厚的富氧块，不但可以说明大氧化事件氧的来源，同时在板块运动热对流的动力基础上，可以提供化学对流的动力。

产生富氧块的原理是因为释放了水中的氢留下了氧，这又是一项重要发现。分裂水提炼氢本是清洁能源追求的目标。高科中心的这项发现，意味着下地幔深处，有一个非常巨大的自然产氢机器和无穷的清洁能源。虽然我们技术上还不可能开采利用，从基础上去了解了大量氢的释放与其回到地表的途径：是以分子氢的形式上升？和碳结合成为非生物来源的碳氢化合物油气？与氧结合完成水的大地循环？与氮、硫、磷、卤素等结合调控挥发物的迁移？这都将是地球化学未来的研究主题。

在中国进行的这一系列的跨学科突破，总结发表在《国家科学评论》上“当水在核幔边界遇到铁”研究论文中。这个新发现将颠覆许多地学基本的认识，而引导全新的科研走向。

全文信息：Ho-Kwang Mao, et al. When water meets iron at Earths core–mantle boundary. https://doi.org/10.1093/nsr/nwx109