地球上的氧、氢是怎么来的?

我的一点点看法   2017-11-14 14:22

地球上的氧、氢是怎么来的?

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。

近日《国家科学评论》(National Science Review)在线发表了中组部顶尖千人毛河光团队建立的北京高压科学研究中心(高科)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。

地球上的氧、氢是怎么来的?

2013年高科在上海浦东成立后,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?

高科的中组部千人金德荣研究员,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)。高科青年千人胡清扬研究员,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(青年千人张莉研究员新发明),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。

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