上海光源15U用户在揭示地球氧循环过程方面取得重大突破

我们在地球生存，离不开空气中的氧气。其实在地球45亿年漫长的历史中，前一半的地质纪录显示空气中是没有氧的。24亿年前的一次“大氧化事件”之后，空气中的氧含量才突然提升到今日的水平，才有生物的存在、繁荣和演进。但长久以来，我们认为地球有个铁核，表示内部极度缺氧。大氧化事件不可能从内部取得来源。氧是如何产生的？一直是科学界未解的难题。

北京高压科学研究中心（简称高科）毛河光院士领导的团队，发现在地球1800公里之下的深处极端高温高压环境下，能造成含氧极高的过氧化铁FeO2。地面上司空见惯的沼铁矿FeOOH（也就是铁锈），到了深部就会变成过氧化铁，并产生氢。过氧化铁富集在地幔和地核的边界，能解释核幔边界观察到的一些地震波异常现象。其含氧的突然释放，也可能造成大氧化事件。这一研究成果以“FeO₂ and FeOOH under deep lower-mantle conditions and Earth’s oxygen–hydrogen cycles”为题发表在6月9日最新一期《自然》杂志（Nature 534, 241）。

研究组利用上海同步辐射光源BL15U1线站和美国APS光源的线站，观察到赤铁矿与氧反应形成稳定的二价铁氧化物过氧化铁FeO₂，在92GPa，2050K下，沼铁矿FeOOH分解产生FeO₂并释放氢气。当沼铁矿随板块运动俯冲进入1800公里的深下地幔，将形成高密度过氧化铁沉到核幔边界，并释放氢，向上迁移。板块运动不断的提供沼铁矿，使得下地幔形成巨大的氧库同时维持氢循环。在核幔边界D”层探测到的地震异常信号，可能与大量的FeO₂层有关；而在板块运动或喷发中FeO₂矿物分解将释放氧气。

毛河光院士指出：这个发现表明地幔可能有更丰富的氧库存，而沼铁矿的分解又将氢循环联系起来，地球内部水循环提供了氧循环的路径；24亿年前氧含量的急剧提高这一地质事件的原因可能是FeO₂层氧库向大气中释放形成；需开展关于过氧化铁物理、化学、矿物学性质的研究，进一步验证以上推断。