科学家发现地球内部元素价态可变

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一直以来氧元素以-2价存在于地球矿物中。然而由北京高压科学研究中心的刘锦、胡清扬研究员带领的国际小组的最新研究发现氧元素在新发现的下地幔主要成份—FeO₂Hx中并不是传统的-2价，而表现出新的化合价态。

另地球内部的的主要挥发性元素氢在地球深部亦可产生新的稳定价态。这项工作表明在下地幔距离底表1700-1900千米处可能存在一个价态分界层，地球内部的主要元素铁和氧以及挥发性元素氢在分界层以下会呈现全新的化学性质。这一结果于2019年1月发表在《自然·通讯》,而后经由理论计算验证，推测了新价态的产生机制，计算结果同期发表于《无机化学》。

“近年来，在地球内部环境下发现了很多新的铁氧化合物，如Fe₅O₇、Fe₄O₅和Fe₅O₆等，但是新发现的过氧化铁—FeO₂中的元素价态问题更为复杂，亟待解决。”论文共同通讯作者斯坦福大学Wendy Mao教授指出。

Figure: The oxygen and hydrogen cycling in the deep Earth.

图示：地球内部的氢氧循环。

该研究小组首先将三十微米大小的赤铁矿样品（Fe₂O₃）放置在两颗金刚石之间，周围注入氧气或水作为反应介质，通过金刚石的挤压产生相当于地球地幔底部的压力，同时运用激光加热来合成FeO₂或含氢氢FeO₂Hx样品。为了研究铁，氧元素的价态，他们进行了高压下铁原子的K边吸收谱、发射谱和穆斯堡尔谱，以及氧原子的X射线拉曼谱的测量。这一系列实验指出FeO₂或者FeO₂Hx中的铁统一为传统的+2价，而氧元素并不是-2价态，而在-1价附近，同时氢极有可能是游离态的0价。

“高压环境使得铁、氧、氢三种元素产生了全新的化学性质。以FeO₂为例，高含氧矿物为地球内部可能存在的富氧区域提供了有力证据。FeO₂的合成压力约为75万大气压，对应地球内部1700-1800公里的深度，在这个区间可能存在地球内部主要元素的价态大转变。”文章的第一作者刘锦研究员提到。

FeO₂生于赤铁矿的Fe₂O₃，他们的结构存在着紧密的联系，通过第一性原理计算发现氧元素在两者之间的扩散在高压下能垒极低。“只要存在供氧源，FeO₂将是更加稳定的化合物。”内华达州立大学朱升财博士补充道。

这项工作为科学家研究地球内部化学状态和相互作用提供了新思路。许多关于地球深部化学的传统概念将需要重新考虑，新的研究窗口正在逐渐打开。

查看论文

1. Altered chemistry of oxygen and iron under deep Earth conditions

https://www.nature.com/articles/s41467-018-08071-3

2.Structurecontrolled oxygen concentration in Fe₂O₃ and FeO₂

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.8b02764