從地表進入地球內部的水通量每年達幾億噸，如此巨量的水如何影響地球內部的物理化學性質和地球動力學過程一直是科學界未解的難題。近年來，北京高壓科學研究中心的毛河光院士團隊在此方面取得一系列科學突破，發現在地表1800-2000公里深度以下的深下地幔溫度壓力條件下可以形成富氧氧化物FeO2Hx，這說明地球內部可能是大氣中氧的重要來源。

近日，該中心的劉錦、胡清揚研究團隊再次通過高溫高壓實驗，在地下大約1000公里處的溫度壓力條件下發現了一種新型鐵鎂氧化物，（Fe，Mg）2O3+d（0《d《1）—命名為OE相 （the oxygen-excess phase），其氧含量高于地表常見的富氧鐵氧化合物赤鐵礦（Fe2O3）。與此前發現的富氧相FeO2Hx相比，OE相在含氧量、形成條件方面均有區別，而且兩者的化學組成及晶體結構都不相同。同時，該團隊通過激光加熱結合同步輻射X光衍射技術，發現除了鐵氧化物外，下地幔主要成分之一的鐵方鎂石也可以與水發生化學反應，生成含氫（Mg，Fe）O2。

富氧氧化物OE相和含氫（Mg， Fe）O2的發現再一次證明了地球深部儲存著大量的氧，這些重大發現有望更新我們關于地球氧循環的傳統認知。相關系列研究發表于《國家科學評論》。

“在40多萬大氣壓和高溫條件下，OE相可以直接從含水的俯沖物質中生成。令我們驚喜的是，OE相能夠保留到常壓下，這一點在極端高溫高壓實驗中很難得，比如，含氫二氧化鐵就只能存在于高溫高壓環境下”，劉錦研究員介紹說。“事實上，人們在下地幔對應的溫度壓力條件下合成的高壓相，如果能保留到常壓，就很有可能在地球表面被發現，然后被人們命名為某種礦物，比如布里奇曼石、賽石英等，”毛河光院士補充道。

他們還發現OE相可以與地幔的主要礦物布里奇曼石和鐵方鎂石穩定共存于下地幔環境，所以這一新相可能普遍存在于下地幔。新型富氧氧化物的晶體結構中含有管狀通道，不僅可以存儲過量的氧，可能也可以攜帶其他揮發性元素，如C、N、F、S等。這表明OE相可能是地球內部揮發分的重要載體，對地球揮發分的深部循環具有重要意義。

“含氫（Mg， Fe）O2和OE相均可歸類于富氧氧化物”，胡清揚研究員說到。“在地球表面，此類富氧氧化物的化學性質通常不穩定，而在高壓環境下，富氧氧化物可以在下地幔礦物環境中穩定存在”。

地球深部的高溫高壓環境有利于將含水俯沖物質轉化成富氧氧化物，與地球深部水循環緊密相關。當水或含水礦物到達了一定深度，如1000 公里或更深，將與地球深部的主要礦物發生氧化還原反應，在生成OE相和（Mg， Fe）O2的同時釋放氫氣，而氫氣在遷移的過程中可能會重新與氧元素結合，重組為水。水在這一往復循環中總量大致不變，起了類似催化劑的作用。因此，水不僅是生命之源，也在地球內部的化學平衡起關鍵作用，是地球宜居的最重要原因之一。
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