超高壓硅酸鎂作為早期地球的水庫
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超高壓硅酸鎂作為早期地球的水庫
（神秘的地球uux.cn報道）據cnBeta：我們星球上的水的起源是一個熱門問題。水對板塊構造、壓硅氣候、酸鎂地球上生命的作為早期起源以及其他類地行星的潛在可居住性有著巨大的影響。根據最近發(fā)表在《物理評論快報》的地球的水一項研究，一位俄羅斯斯科爾科沃科學技術研究所(Skoltech)教授和中國研究人員提出了一種化合物可能在“暴力”時代保存了地下深處的超高水，當時大規(guī)模的壓硅碰撞肯定蒸發(fā)了地球的表面水。由于其重要性和獨創(chuàng)性，酸鎂這篇論文被作為“編輯建議”，作為早期在《物理學》雜志上重點介紹。地球的水
除了是超高我們所知的生命起源的所有重要物質外，地表水對于長期穩(wěn)定一個星球的壓硅氣候非常重要，使進化得以發(fā)生。酸鎂即使是作為早期地表下深處的少量水，也被認為會極大地增加巖石的地球的水可塑性，這對板塊構造是至關重要的--這是一個塑造大陸和海洋的過程，并推動地震和火山活動。但是，盡管它對像我們這樣的巖石行星的進化具有巨大的重要性，我們不知道地球上的水起源于哪里。
“一些科學家認為我們的水是由彗星帶來的，但是這個來源似乎非常有限--彗星中的水的同位素組成與地球上的水有很大的不同，”共同撰寫該研究報告的Skoltech的Artem R. Oganov教授說。
如果水不是來自彗星等天體，它一定是來自下面，來自地幔深處，甚至是地核。但是，它怎么能在地球歷史上最初的3000萬年左右的劇烈運動中存活下來呢？當時地球非常熱，被小行星不停地轟擊，甚至與一顆火星大小的行星發(fā)生了災難性的碰撞。這些過程肯定蒸發(fā)了地球的一部分，而剩下的東西至少在幾百公里以下是熔化的，除去了水。直到現在，科學家們還不知道有一種穩(wěn)定的化合物能夠在行星的內部鎖住氫和氧原子足夠長的時間，然后將它們作為水釋放出來。
Oganov與中國南開大學科學家領導的一個研究小組合作，他們一起使用Oganov的晶體結構預測方法USPEX，發(fā)現了一種符合要求的化合物：含水硅酸鎂，按重量計算，它含有超過11%的水，在超過200萬個大氣壓和極高溫度下穩(wěn)定。這樣的壓力存在于地核。但是每個人都知道地核是一個金屬球--主要是鐵--所以構成含水硅酸鎂的元素在那里根本不存在，對嗎？
“錯了。當時并沒有地核。在其存在之初，地球具有或多或少的均勻成分，從地球形成時起，鐵大約花了3000萬年的時間滲入其中心，將硅酸鹽推到我們現在稱之為地幔的地方，”O(jiān)ganov解釋說。
這意味著在3000萬年的時間里，地球上的部分水以含水硅酸鹽的形式安全地儲存在今天的核心深處。在那段時間里，地球經受住了小行星轟擊的最嚴重階段。當地核形成時，含水硅酸鹽已被推入低壓區(qū)，在那里它們變得不穩(wěn)定并被分解。這產生了構成今天地幔的氧化鎂和硅酸鎂，以及水，后者開始了長達1億年的地表之旅。
Oganov補充說：“與此同時，地球被小行星甚至原行星撞擊，但水是安全的，因為它還沒有到達地表。”
研究人員說，他們的研究表明人類的直覺有時是多么的錯誤。沒有人想到核心壓力下的硅酸鹽，因為據說在那里找不到組成的原子。即使如此，人們也不會想到含水硅酸鹽在核心條件下是穩(wěn)定的，因為人們認為極端的溫度和壓力會把水從礦物中“擠出來”。然而，基于量子力學的精確建模證明了這一點。
這位材料科學家繼續(xù)說：“這也是一個關于一種在行星時間尺度上短暫存在的材料如何對地球的演變產生巨大影響的故事。這與通常的地質學思維方式背道而馳。這與通常的地質學思維方式背道而馳，但仔細想想，一個進化論生物學家，對他來說，我們今天看到的許多東西都是從現已滅絕的物種中進化出來的，他們很難感到驚訝，不是嗎？”
關于地球水起源的新假說對其他天體也有影響。Oganov說：“例如，火星太小，無法產生穩(wěn)定含水硅酸鎂所需的壓力。這解釋了為什么它如此干燥，并意味著無論火星上存在什么水，它都可能來自彗星。”
或者，考慮我們太陽系以外的行星。“為了適合居住，一個系外行星必須有一個穩(wěn)定的氣候，這需要有大陸和海洋。所以必須有水，但不能太多，”其他研究人員補充說。“有一個估計，對于任何大小的類地行星來說，它都應該有不超過0.2%的水（按重量計算），才是適合居住的。我們的結果意味著，對于被稱為‘超級地球’的大型類地行星來說，情況可能有所不同：在這類行星中，穩(wěn)定硅酸鎂的壓力甚至必須存在于核心之外，無限期地鎖住大量的水。因此，‘超級地球’可以有大得多的水含量，并且仍然支持暴露的大陸的存在。”
研究人員認為，這甚至對一個星球的磁層也有影響。“在超過2000攝氏度的溫度下，含水硅酸鎂會導電，氫質子作為電荷載體。這意味著我們的含水硅酸鹽將有助于超級地球的磁場，”O(jiān)ganov解釋說，并補充說新假設的結果清單不勝枚舉。
相關報道：南開大學科研人員為地球水起源提供新思路
（神秘的地球uux.cn報道）據南開新聞網訊（記者 喬仁銘）：“地球的水從何而來”是一個由來已久的謎，這對于理解生命是如何出現以及地球內部動力學是如何隨時間演化至關重要。
日前，南開大學物理科學學院李含飛博士、董校副教授及其合作者對這個重要科學問題給出了新的思路。相關論文“Ultrahigh-Pressure Magnesium Hydrosilicates as Reservoirs of Water in Early Earth”1月21日發(fā)表在物理學頂尖期刊《Physical Review Letters》（《物理評論快報》）上，并被列為編輯精選（Editor’s Suggestion）。物理成果報道雜志《Physics》特邀為其撰寫專題文章。
目前，關于水的起源有兩個爭議的觀點：一是“地獄起源說”：水來自于地球深處，即地球在吸積期獲得了大量的水，并儲藏與地球內部；二是“天堂起源說”：在地球形成后，富水隕石轟炸提供了大量的水。
最近，越來越多的證據支持第一種假設。氘/氫（D/H）比被認為是水起源的指紋，提供了一個有力的證據：地球深部地幔的D/H比很低，接近于早期地球的基本組件頑輝石球粒隕石和原始太陽星云，遠低于彗星等太陽系外圍物質。這給地球內部的水可能直接來自原太陽星云提供了有力證據。
然而，這一假說存在相當大的問題。與其他行星材料如鐵、硅酸鹽相比，水的熔點和沸點要低得多，因此在新生地球的數千度的炙熱表面，水會被蒸發(fā)到太空中。由此可見，水只能存在于在地球新生吸積期儲存于地球內部深處，同時在新生地球演化到一定程度時將水釋放出來。然而這一過程中的物質存儲形式卻尚不明確。
董校副教授長期從事極端條件下水合物的設計以及物性預測的研究，通過第一性原理計算和結構預測方法，發(fā)現兩種新的水合硅酸鎂相在數百萬大氣壓穩(wěn)定。其中，α‑Mg2SiO5H2穩(wěn)定在262–338 GPa，β‑Mg2SiO5H2 338 GPa 以上穩(wěn)定（對比如今核幔分界處的壓力為136 GPa，地球中心的壓力為360 GPa）。兩者結構上的區(qū)別為β‑Mg2SiO5H2擁有首次預言的鎂離子9配位形式。進一步研究發(fā)現，兩者在高溫下都具有準一維質子擴散的超離子導體形式。
第一性原理計算表明，在300 GPa，α‑Mg2SiO5H2和β‑Mg2SiO5H2有非常高的密度和極高的含水量。其中Mg2SiO5H2含有11.4 wt %的水，只略微少于δ‑AlO2H和H相（MgSiO4H2）中約15wt %的含水量，高于大多數其他報道的水合硅酸鹽和氫氧化物的含水量。分子動力學計算預測，Mg2SiO5H2 耐熱性遠好于其他含水礦物，在高達8000K的溫度下，也沒有融化的跡象。
在早期地球內部，因為核幔尚未分離，硅酸鹽和過量的氧化鎂可能深入到地球內部深處，從而承受遠比現今更高的壓力，比如高于262 GPa，而此時則可以以Mg2SiO5H2 的形式儲存水分。
計算表明，理想狀態(tài)下早期地球內部以Mg2SiO5H2 的形式可以儲存8倍現今海洋質量的水。而后隨著核幔分離的進行，鐵質核區(qū)逐漸長大，從而將硅酸鹽抬高并降低其所受壓力，從而迫使Mg2SiO5H2分解釋放水分。而釋放出的水分通過復雜的地球物理和化學過程返回地表，而此時，地表已經足夠冷卻能夠保證液態(tài)水的存在，形成原始海洋。而Mg2SiO5H2的分解產物，MgSiO3和MgO，它們仍然在下地幔發(fā)揮著重要作用。同時Mg2SiO5H2的發(fā)現對于人類認識其它類地行星，尤其是超級地球中的物質循環(huán)也具有重要意義。
綜上所述，該項工作填補了含水硅酸鹽體系在數百GPa壓力下物質存在形式的空白，開拓了早期地球水和輕元素循環(huán)的新視角，加深了人們對核幔分離過程中物質存在和循環(huán)過程的理解。
在同一期《Physical Review Letters》中，南京大學的孫建教授發(fā)表了一個相關的體系H-Si-O并著重闡述了該體系中新發(fā)現的化合物在天王星、海王星等冰行星中的影響。《Physics》特邀為這兩篇工作撰寫了專題評論文章 “Mineral Candidates for Planet Interiors”，其中法國天文學家Tristan Guillot評價“兩篇工作都是有重大潛在應用價值的創(chuàng)新工作”。
《Physical Review Letters》是美國物理學會(American Physical Society)于1958年創(chuàng)辦的物理學綜合性期刊，屬于物理學頂級刊物，主要發(fā)表重要的物理研究成果。《Physics》為美國物理學會創(chuàng)辦的科學報道期刊，主要針對最新的重要科研成果進行報道，前身為《Physical Review Focus》，在學界具有很大影響力。
該工作得到了國家自然科學基金、天津市自然科學基金、廣州超算中心、南開大學超算中心及其他相關基金資助或支持。
相關鏈接：
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703
《Physics》評論文章鏈接：https://physics.aps.org/articles/v15/9