科学分析：地球外核在生锈吗

　　导读：当俯冲带携带含水矿物深入地幔时，可能会使地球的铁外核生锈，形成巨大的氧汇之后，氧气会回到大气中 地球表面的铁，无论是简单的铁钉还是坚固的大梁，在潮湿的空气或含...

当俯冲带携带含水矿物深入地幔时，可能会使地球的铁外核生锈，形成巨大的氧汇之后，氧气会回到大气中

地球表面的铁，无论是简单的铁钉还是坚固的大梁，在潮湿的空气或含氧的水中，都会逐渐发生氧化反应这种反应的红棕色产物是铁锈，它可以由各种形式的水合氧化铁和氧化铁氢氧化物组成在美国西南部干旱气候区和许多其他地方发现的红色岩石属于同一种氧化铁矿物——赤铁矿，在潮湿的环境中，像赤铁矿这样的铁矿石会风化成针铁矿，这是铁的基本氧化物

美国亚利桑那州纪念碑谷的猫头鹰岩这种岩石的红色来自氧化铁矿物最近的实验表明，铁氧化物也可能在地球表面下形成，甚至深达地核和下地幔的交界处

在地球深处，确切地说是地表以下2900公里处，大量的熔融铁形成了地球的外核那么，外核也会生锈吗

最近，科学家在实验中发现，当铁在接近一百万个大气压的压力下遇到水——以水或含有氢氧基的矿物的形式——时，会形成过氧化铁或高压形式的氧化铁——氢氧化铁，其结构与黄铁矿相同换句话说，这些实验中的氧化反应确实会形成高压锈

如果在外核和地幔的交界处确实存在铁锈，科学家们可能有必要更新他们对地球内部及其历史的看法这些铁锈可以揭示下地幔深水环流和超低速度带的神秘起源超低速度带是地球流体核心之上的一个小而薄的层，在这里地震波速度显著降低这些铁锈也可以解释大氧化事件和新元古代氧化事件前者标志着地球富氧大气的开始，发生在约25亿至23亿年前，后者发生在10亿年至5.4亿年前，使大气中的游离氧达到现在的水平

但是我们怎么知道古腾堡界面是否生锈了呢。

地球表面的红色岩石主要来自氧化的赤铁矿和针铁矿地球表面2900公里以下的核幔边界可能存在的铁锈沉积物，可能是由具有黄铁矿样结构的氧化铁—氢氧化铁矿物组成这种铁锈可以解释地震数据中发现的超低速度带超低速度区的检测门限反映了当前地震剖面扫描的分辨率

核幔界面的地震特征

虽然现在还不能在古腾堡界面下开采矿物，但我们可以用其他方法来探测它们如果地核会伴随着时间生锈，那么古腾堡界面上可能已经堆积了一层铁锈，可以显示出一些地震特征

实验室研究表明，地核的氧化铁—氢氧化铁锈可能导致穿过它的横波和纵波速度显著降低，就像超低速区的岩石一样事实上，与初步参考地球模型中作为深度函数的平均地震波速度相比，岩心锈蚀可使横波速度和纵波速度分别降低44%和23%如果核心铁锈的厚度超过3到5公里，巨大的地震波减速会使其在地震层析成像中被识别出来

难点在于区分超低速区的地震异常是岩心锈蚀还是其他原因造成的比如一般认为下地幔底部的部分熔融是造成超低速度区的原因，这也可能导致类似地核生锈导致的地震波速度降低

理论上，科学家应该可以使用地震层析成像来区分古腾堡界面的核心生锈和部分熔化地震扫描通常由数学反演过程产生，将计算的地震波形与观测波形相匹配反演过程需要确定可能的数学解来拟合数据，然后根据其他考虑从这些解中选择最佳解

每一种可能的数学解都对应着一组与所涉及材料的物理性质有关，但又有明显差异的模型参数，如锈材料的横波，纵波，密度的相对差异，材料周围地幔的平均值等。

不同材料的地震波速度比范围

铁锈起源的证据

到目前为止，地震学家已经对古腾堡界面的60%进行了采样，以寻找超低速区，并确定了近50个地震波的异常位置，占古腾堡界面面积的20%，这可能代表了超低速区这些区域大多与地幔底部大而低的剪切速率区相耦合，δlnVs:δlnVp比值约为3:1，表明存在部分熔融

但也有部分位于太平洋下的LLSVP边缘或外侧，最佳拟合比例约为2:1例如，指示黄铁矿型FeOOHx存在的δLNVS:δLNVP比值已在太平洋LLSVP北部边界的一个超低速区和墨西哥北部以下的一组超低速区被探测到

这些超低速区的一个共同特点是，它们位于古腾堡界面上相对较低的温度区，比LLSVP中的平均温度低几百开尔文低温表明这些区域不是由熔融机制产生的值得注意的是，科学家已经确定墨西哥北部以下的区域由大约2亿年前沉积在北美和中美洲西部的深俯冲遗迹组成，这表明俯冲板块释放的水可能已经生锈了古腾堡界面的外核

地心生锈的后果

科学家认为，地球下地幔的主要矿物板钛矿几乎没有储水能力可是，地球核心的铁锈可能会在古腾堡界面形成一个大容量的水库——FeoohX铁锈可能含有约7%重量的水因为平均来说地核的铁锈比地幔重，这个水库将倾向于停留在古腾堡界面因此，理论上，水可以被运输和储存在地核之外，至少直到地幔对流将这些水从俯冲板块遗迹附近较冷的区域带走，使其变得热不稳定

这些核心附近的水是否以及何时会循环回到地表，很大程度上取决于核心铁锈的热稳定性在实验工作的基础上，有科学家声称FeOOHx在古腾堡界面压力下所能承受的最高温度约为2400K可是，其他科学家观察到，在类似的压力下，FeOOHx可以在3100到3300K的温度下存在但无论FeOOHx能承受的最高温度是多少，当局部的核锈伴随着地幔对流迁移到古腾堡界面较热的区域时，很可能分解成赤铁矿，水和氧气这一过程为地球大气的氧化历史提供了一种可能的解释

地质，同位素和化学证据表明，在太古代，地球大气的大部分或全部处于缺氧状态太古代之后，大约24亿年前，大氧化事件期间，分子氧首次进入大气大气含氧量的第二次主要上升期是新元古代氧化事件，发生在大约7.5亿年前，使其浓度接近今天的水平

科学家们仍然不确定这些氧化事件背后的原因大氧化事件的一个可能解释是蓝藻的出现，蓝藻是植物光合作用的早期先驱新元古代氧化事件发生在近20亿年后，这归因于海洋光合作用和光周期的快速增加

可是，这些解释远非完美例如，除了大氧化事件与地球上蓝藻出现时间不匹配外，多项研究表明，大气中的氧气在大氧化事件开始时大量增加，然后急剧下降到较低水平，持续了数百万年到目前为止，基于蓝藻光合作用的解释还没有令人信服的证据

此外，虽然科学家普遍认为，与新元古代氧化事件相比，大氧化事件期间大气中的氧浓度只是略有增加，但在实验室研究中，通过分析光周期对光合群落和化学合成群落存在竞争关系的微生物垫净氧输出的影响，他们得到了一个矛盾的结果在新元古代氧化事件期间，更长的日照并没有导致这些微生物垫产生更多的氧气，实验表明，在新元古代氧化事件期间，日长增加引起的氧气增加可能只有大氧化事件期间的一半

因此，蓝藻和光周期长度的变化不能为大氧化事件或新元古代氧化事件期间大气氧含量的增加提供完整或一致的解释，我们也不能排除这些事件起源的其他机制。

当携带含水矿物的俯冲板块与外核相遇时，就可能形成核锈在地幔对流的作用下，从低温区流出的铁锈会沿着核幔边界迁移到地幔柱根部较热的区域，在那里变得不稳定，分解成赤铁矿，水和氧气

俯冲，迁移，对流，喷发

几十年来，研究人员一直无法找到确凿的证据来证明地球板块构造是何时开始的可是，最近的一些研究表明，33亿年前，俯冲开始将含水矿物带入地幔深处实验表明，俯冲板块中的含水矿物可以将水一路运送到古腾堡界面如果是这样的话，第一块古老的岩板可能在接触到地核的时候就生锈了核心铁锈可能在古腾堡界面逐渐积累，从而形成一个超低速度区在地幔对流的驱动下，这堆铁锈从熔融外核顶部的冷俯冲区迁移出来，开始逐渐升温当它到达地幔柱扎根的较热区域时，它可能会变得非常不稳定

就像典型的火山爆发是间歇性发生的一样，温度驱动的核心铁锈分解可能会导致表面氧气的间歇性爆炸与蓝藻光合作用逐渐增加的氧气相比，这种爆炸释放氧气的速度可能要比地表环境的反应和消耗快得多，导致大气含氧量先是迅速上升，然后又有所下降

与地表岩浆喷发的持续时间相比，大锈堆的堆积及其向热分解场所的迁移可能需要更长的时间事实上，一些形成的锈堆可能还没有达到足以引起分解的温度，周围深部地幔的负浮力将它们保持在古腾堡界面下地质记录显示，直到32亿年前，地球表面完全被海洋覆盖水从地球表面的净移除及其以核锈的形式储存在地幔深处可能有助于太古代大陆的出现，尽管板块构造驱动的表面和地形的变化以及浮力大陆的增长也对此有所贡献

潜在的范式转变

地球表面的铁都会生锈，大家都看得到，但遗憾的是，没有人能直接证明地球表面2900公里以下的液态铁核会有类似的生锈现象但不断的研究将有助于消除各种不确定性，解答一些关键问题，如核心锈蚀是否与大氧化事件，新元古代氧化事件有关

特别是，我们需要更多的实验室实验来准确确定芯锈在古腾堡界面与铁水达到平衡时的热稳定性和成分稳定性极限比如我们需要研究高压高温下的芯锈和铁水的平衡其他研究可以测试铁锈在高压下的热稳定性这些实验具有挑战性，但就激光加热金刚石在砧上的实验能力而言，是可行的

此外，我们需要做额外的工作来确定何时开始俯冲，尤其是湿俯冲何时开始，即含水矿物将被带入地球内部深处地球化学证据表明，湿俯冲直到22.5亿年前才开始，而不是33亿年前这么晚才开始的湿俯冲可能会挑战核心生锈是大氧化事件起源的假设

此外，地幔对流是否涉及分层环流，全地幔环流或两者的某种混合形式仍有待澄清如果地幔盛行分层环流，俯冲板块将无法进入下地幔因此，无论是整个地幔还是混合对流，俯冲板块及其携带的含水矿物必须存在才能到达古腾堡界面，导致外核潜在的生锈

如果能拼凑出一个完整的拼图，那么外核的铁锈很可能确实是地球上一个巨大的内部氧气发生器——也许下一次大规模的大气氧化事件即将发生这种事件可能会引起各种问题，包括对未来环境，气候和可居住性的影响从短期来看，确认地球外核生锈将改变我们对地球深部的认识，并预测地球深部将如何从根本上影响地球表面的环境和生命活动

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