地球核心可能隐藏着数十个海洋的氢

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地球核心：一个驱动地质过程的隐藏氢海洋

最近具有突破性的科学调查表明，我们星球最深处的金属核心可能隐藏着一个巨大且此前被低估的氢储量，其含量相当于数十个地球表面的海洋。这项于2月10日发表在《自然通讯》上的详细研究，挑战了地球内部构成的现有模型，并对理解塑造我们世界的根本地质过程，包括火山活动和地球的长期热演化，具有深远的影响。

几个世纪以来，地球核心一直被认为主要由铁镍合金构成，是一个充满神秘的致密金属核心。然而，新的实验证据表明，宇宙中最丰富的元素——氢，可能占核心重量的0.36%。这个巨大的地下氢储量，被称为“地底储备”，在核心的极端条件下并不以液态水的形式存在。相反，其重要性在于它有潜力向上迁移。当这些氢逸出到上覆的富氧地幔中时，它会反应形成水，这个过程对地球的动力学具有深远的影响。

苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的地球动力学家村上元彦（Motohiko Murakami），也是这项研究的主要研究员，解释了氧在这一转化中的关键作用。“氧是地幔中最丰富的矿物元素之一，”村上指出，强调了这种相互作用如何促进迁移的氢形成水。这种新形成的水随后可以作为关键催化剂，影响地幔岩石的熔融行为，从而影响岩浆的生成以及地表火山喷发的频率和强度。

科学界长期以来一直努力估算地球难以触及的核心的精确构成。早期量化氢储量的尝试通常是间接的，依赖于在实验室条件下将氢添加到铁中时体积变化的观察。这些方法产生了差异很大的估算结果，凸显了对更直接和稳健方法的需要。村上及其团队通过精心再现地球深处发现的极端压力和温度来应对这一挑战。

他们创新的实验装置包括制造人工核心材料：包裹在含氢玻璃基质中的微小铁碎片。然后，这些样品在强大的机械压力机中，被两个工业金刚石挤压，承受巨大的力。同时，一束聚焦激光通过金刚石，将样品加热到惊人的4,826°C（8,720°F）——这些条件模拟了早期地球内部的炽热。在如此极端的温度和压力下，样品熔化，聚结成与硅、氢和氧混合的微观铁团块，模拟了地球核心在早期岩浆海洋阶段形成时的原始状态。

在快速冷却和凝固之后，研究人员使用专门的探针精确绘制了样品中元素的分布图。这项详细分析揭示了在铁基质中凝固的独特微小结构。至关重要的是，硅和氢只存在于这些结构中，更重要的是，以相等的原子量存在。这种一对一的原子比被证明是一个关键发现。之前的实验、地球物理观测和模拟已经确定，地球核心按重量计含有2%到10%的硅。

利用这一已确定的硅丰度及其新发现的一对一比例，村上及其同事进行了更新的计算。他们的估算表明，轻得多的氢约占地球核心重量的0.07%到0.36%。为了更直观地理解，村上生动地描述了这一储量的规模：“那是九到四十五个海洋”的水，一个隐藏在我们脚下令人震惊的体积。这个数字意味着一个氢储量可能超过目前地球表面所有液态水的总量。

这些影响超越了简单的量化。在地质时间尺度上，这些深层氢的一部分很可能逐渐从核心渗入上覆地幔，在那里转化为水。反过来，这种水会显著降低地幔岩石的熔点，使其更具可塑性并易于熔化。由此产生的岩浆生成是地质活动的基本驱动力，直接推动了塑造大陆和海底的火山喷发和构造运动。地球最内层和地表现象之间的这种深刻联系，突显了我们星球复杂而动态的性质。

这项研究不仅提供了对地球核心中氢存在的更直接和准确的评估，而且还为地球的深层水循环及其对地球动力学过程的潜在影响提供了新的视角。了解这些隐藏的储量对于完善我们关于行星形成、内部结构以及在地球整个历史中维持地质活动的机制的模型至关重要，甚至可能揭示生命所需的条件。

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