杨晓志教授课题组在地幔分子氢方面取得重要突破

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杨晓志教授课题组在地幔分子氢方面取得重要突破

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相关成果以封面文章”Molecular hydrogen in mantle
minerals”发表于《Geochemical Perspective
Letters》,全文链接为
and Planetary Science Letters 和Geochimica et Cosmochimica Acta
等地学顶尖期刊。

(地球科学与工程学院 科学技术处)

我校地球科学与工程学院、南京大学内生金属矿床成矿机制国家重点实验室的杨晓志教授一直致力于氧逸度和深部地球水循环等方面的高温高压实验研究。最近,杨晓志教授课题组和德国合作者通过高温高压实验首次发现:高度还原氛围下,地幔的主要组成矿物中都可以溶解一定量的分子氢;分子氢的赋存与矿物成分和类型无关,因而是以中性分子形式填充在晶格间隙;分子氢在矿物中的溶解度随压强增加而增大。学术界关于地球上水的起源问题,一般认为由于日心距离近(位于太阳系雪线以内),其本身是相对无水的,其水相当程度上来自日心距离远的彗星等。地幔矿物中分子氢的发现,意味着地球早期增生过程中分子氢可以直接赋存在地幔矿物中,雪线内的星体同样可以含有相当量分子氢形式的水,从而对之前的学术观点产生了直接冲击,为认识地球上水的起源打开了全新的大门。同时,这也颠覆了深部地球中的水以OH为主的学术观点,深部还原型地幔中可能存在分子氢形式的太阳系早期原生水,且深部地幔中水的储量可能被严重低估。此外,这还对认识地球核幔之间的氢循环、长期以来地球上水的演化、氧逸度和分子氢引发的地幔熔融作用和动力学过程、太阳系其它类地星体上的水乃至地球早期的分异等方面有重要启示。

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水是地球区别于太阳系其它行星的重要标志,也是人类赖以生存的基础。地球上水的起源以及深部地球中水的赋存形式和含量,是地球科学近十几年来的前沿领域和热门方向。地球内部主要是由各种矿物构成的,学术界当前普遍接受的观点是地球深部的水主要以OH等点缺陷形式赋存在矿物的晶体结构中(非自由态水或结构水),并在地球长达40多亿年的漫长演化过程中与地表大气圈-水圈-生物圈等层圈间的水发生不断的交换和循环。在这些形式的水中,氢都以+1价态存在,意味着相对氧化的环境。然而,现今地球的深部以及地球(乃至太阳系其它星体)诞生的早期是高度还原的,且太阳系初期的基元物质是H2和He(即太阳系成因的星云学说)。水如何从最初的氢过渡到当前地球上的存在形态,在科学认识上缺失了极为重要的一环。

研究得到了科技部973计划、基金委重大项目、基金委面上项目和中组部青年千人计划等项目的资助。

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