【CC讲坛】胡清扬：高压下的魔法，“地球大氧化”时代，中国科学家的新假说

这位年轻的学者提出地球历史上的“大氧化事件”成因的新假说：源自地球深部大尺度下的二氧化铁的生成、聚集和爆发。如果是这样，那未来下一次地球氧气浓度上升，到底是新生还是灾难？

胡清扬

北京高压科学研究中心 研究员

2020年度“科学探索奖”获得者

我是研究水的，我的名字里就是有“清扬”，它的谐音就是“氢氧”，所以我研究水有那么一点点上天注定的感觉。

首先我是研究地球深部水的，再具体一点是研究地球下地幔的水，再具体一点是指研究距离地球1700千米，到地核地幔边界这个区间之内的水。

我想跟大家分享的是地球深部，它可以比作是一个巨大的化学实验室。跟水，它有很多的化学反应会发生，有一些是我们之前想不到甚至不敢去想的。

研究（地球）深部的水为什么重要呢？我就以2018年的一则报道作为引子。

华盛顿大学，他们对马里亚纳海沟上面的地震波进行了一个分析。他们发现每年有大量的水会吸入到地球的内部。注意他们这边使用了“吸入”这个动词，指代的就是，这些水进入到地球的深部，却不知道水最终的去向是哪里？

现在最新的一些观点认为，每年有上亿吨的水会进入到地球的地幔，总量听起来应该很多，但是我打一个比喻，一个太平洋有730万亿吨的水，如果我们将进入地球深部的水，跟我们地球表面的水的总量相比的话，它还是一个很小的一部分。当然大家别忘了，地球的年龄可是以数十亿年为单位去计算的，两者相乘的话，其实还是一个比较可观的数字。

所以说如果一直有水进入到地球的深部，但是没有水从地球深部出来，带来一个问题就是：地球会逐渐变成一个干涸的行星。

但是比较幸运的是，我们至今没有发现地球有任何水会大面积枯竭的这种现象，为什么呢？就是因为地球深部，确实存在这么一个宏大的水循环，并且它正在影响我们现在每天的生命。

我们要解释地球深部的水，怎么从深部返回到地面，就必须介绍我们第二个主角：就是铁。

铁是地球里面按重量去比较，它是含量最高的这么一个元素。

大家应该都吃过这种巧克力球，我们将地球比作一个巧克力的话，里面这颗果仁就像是一个地核，它基本上都是由铁来组成的，外面这层巧克力可以比作是地幔，最外面是一层薄薄的地壳。

如果水进入到地球内部，和铁相遇的时候会发生什么样的反应呢？大家可能自然而然就会想到是否会发生生锈？因为生锈我们在日常生活中都很熟悉，它就是水遇上了铁，然后在空气的作用下，表面会生成一层铁氧化物。

当水进入到地球深部遇到铁，会发生怎么样的化学作用？

研究这个话题 大家可能首先想到的是，我们是不是应该打一口很深的井，然后钻到地球的内部，取一些样品出来，然后做一些分析？

但其实最深的这样一种井也只有10多千米，尚不及地球的皮毛；但实际上我们还可以利用一些比如说火山过程，从地球内部有一些所谓的包裹体从地球深部出来，这些样品就封印在钻石里边，称之为金刚石包裹体，但这样的样品，最深也就是几百千米的水平，差不多最深是到了下地幔的上部，还是没有办法覆盖整个地幔。

我们在实验室就换了一种思路，我们打磨了一对金刚石，然后把它打磨成一个锥形，在它的中间放上样品，然后两边用力，这样就能使这颗细小的样品上面产生很大的压力，这样的样品可以覆盖整个地幔的压力范围，甚至可以做一些地核的科学工作。

这是我们实验的一个场景图，大家可以看到这是一对金刚石，今天我就特意带了这么一个装置过来。我手中这个东西就是金刚石压砧，而且它不是一个模型，它就是这么小巧，可以从我的口袋里直接拿出来。

大家可能会问它是不是很危险，因为它压力很大。但实际上因为压力都是集中在很小的一点样品上面，所以最不济的情况也就是金刚石有一些错位，然后金刚石报废掉了，但实际上它是十分安全的。

大家可能比较好奇这个装置到底贵不贵？我就打一个不太恰当的比喻，我们一年使用这个钻石的价格，可能还不及我们单位周围一平米的房价。

只要在这个样品上施加足够的压力，铁和水就可以发生一些独特的化学反应。

之前提到了铁锈的主要成分是铁氧化物，那在常压下面，其实有三种最主要的铁氧化物。

这个红色的叫做三氧化二铁；然后黑色的是磁铁矿，主要成分是四氧化三铁；最右边这个是叫磷铁矿，主要成分是氧化亚铁。

但是在地球内部，铁、氧之间的化学键会发生一些质的变化，它就会出现一些新的铁氧化物，比如说我们要提到的二氧化铁。它就是在地球深部才能稳定存在的这么一种铁氧化物。那二氧化铁是怎么在地球深部被发现的呢？

这就必须使用到我们之前提到的这个金刚石压砧了。左边这个图里面就是铁和水的样品，然后我们将这个样品加压到70万个大气压，然后使用激光对它进行加热，以此来模拟地球深部1700千米的，这么一种温度和压力的环境，然后我们就通过一些表征手段，发现里面生成了二氧化铁。

二氧化铁，它的特点就是氧比较多，我们可以想象是把一些额外的氧气打到了氧化铁里边，然后它也是一种只在高压下才能稳定的，如果我们把压力撤去了，它又会重新变成三氧化二铁，并且释放出氧气。

我们当时合成了这个二氧化铁是相当兴奋的，基本上就是在一周之内把整个文章都写好了，为什么呢？是因为二氧化铁是我们想要提出这个假说的最关键的这么一种成分。

我们假说的名字就叫做“深部造氧说”。这张图片里面我们例举了一些化学反应方程式，传统的观点认为地球深部有一个水循环，但是水循环最简单的单位应该就是水，无论是吸水也好，脱水也好，这个水不会自动分解成氢气和氧气。

我们的假说——深部造氧说认为，在1700千米深度以下，水可以发生分解，在铁的帮助下，氧跟铁结合生成二氧化铁，然后氢气就跑掉了。所以说这两套理论，它是有一定的差别在这里，我们怎么去应用这套理论呢？

我们就给地球切一个剖面，然后看一下水在地球的深部是怎么去参与并且完成这个循环的。因为在1700千米以下，水可以分成氢和氧，所以我们可以分成两个部分去讨论它。

其中氧跟铁结合在一起变成了二氧化铁，我们可以将二氧化铁作为一个比较具有代表性的矿物，我们叫它是一个富氧相，它相当于是地球深部的储存氧气的仓库，它在1700千米以下的时候可以稳定存在，但是它一旦进入浅部才会发生分解，所以它只要是保存在那个深度就可以一直地积累，然后可以牢牢地吸住氧气；

那么氢呢？氢可以在矿物里面自由地扩散运动，在物理学家，他们称之为是“超离子态”的一种状态，这也是在高温高压下会有的一种特殊的状态，它就像是一块海绵，吸收了很多液体氢，乍看之下，这块海绵还是固体，但是只要我们一挤，里面的液体氢就会出来，但是因为氢，它本身的比重比较小，所以它是会上升的，上升的过程中会跟其它的矿物重新结合生成水。

这里我们特别要注意一下，这个结合的过程不是说游离的氢跟游离的氧发生了重新的结合，而是通过一些复杂的化学作用，有一些氧化还原的作用，使得氢和氧重新结合起来，比如说它会生成一些碳氢化合物，这些碳氢化合物就是一些有机物的雏形，最后剩下的一些氢会通过火山作用直接被排除到大气里边。

这就是我们通过深部造氧说描绘的水在地球的整一个旅程。

大家可能会问：二氧化铁在地球深部慢慢地积累下去，它到临界点的时候是否会发生一些变化？

我举一个例子大家可以参考一下。1986年的时候，喀麦隆有一个叫做尼奥斯湖的地方，发生了一次湖底的喷发，它将大量的二氧化碳气体喷发出来。因为二氧化碳气体的比重比空气重，所以当二氧化碳气体又降落下来的时候，它就会淹没到附近的村庄，然后排出周围的空气，最终造成几千人的窒息死亡。

虽然这场灾难具体的成因还有一些争议，但是有一点是可以肯定的，就是二氧化碳在尼奥斯湖湖底已经积累到了一个临界值，最终导致它的喷发。

那二氧化铁它在地球深部，积累到临界值也会发生爆发，就会让这些二氧化铁从深部进入到浅部，发生分解，释放出氧气。

在地球整个几十亿年历史上，确实存在这么一些特殊的时期，氧气的浓度会上升，我们称之为“大氧化事件”。

这个图的右边这一侧，我就将氧气的含量跟地球的纪年做了一个图，我们发现其实在整个历史上有这么几个特殊时期，氧气经历了从无到有，从低含量到高含量的这么一个过程。

解释大氧化事件，其实有很多的学说，比如说现在最流行的是“蓝藻菌的产氧机制”。

蓝藻菌，它是可以产生很大量的氧气，而且也经过了这么多年的研究，我想它的大方向应该是没有错误的，但是蓝藻菌可以解释所有关于大氧化事件的问题吗？其实大氧化事件它经历的时间，如果跟地球整个历史时期相比的话，应该是比较短暂的，可以说是一些突发性的事件，最早的蓝藻菌应该诞生于三十三亿年前，而这距离第一次大氧化事件还差了十亿年。

氧气浓度突然上升，它本身就应该是一个谜团，这边我就斗胆将我们提出的“深部造氧说”跟“蓝藻菌的产氧机制”都列在一张图上面。

我们“深部造氧说”，它其实核心就是二氧化铁代表的这种富氧相在地球深部的积累，到达临界点之后发生突然的爆发，它的特点就： 它是一种间歇性的、骤发的这么一种过程；

而形成鲜明对比的是“蓝藻菌的产氧机制”，它是一种持续性的、稳定的；

而我们的“深部造氧说”，它还有一个特点，它可以分析过往氧气波动的频率，还可以预测下一次氧气波动的时间。因为地球深部储氧的仓库的大小其实是一定的，如果几百年后再次出现了这种氧气波动，会带来什么呢？

我们就不妨回顾一下历史吧。第一次的大氧化事件诞生了有氧生物，第二次的新生代的增氧事件发生在6—7亿年前，它使得高级生物在地球上产生了，随后地球发生了差不多现在认为应该是有五次的生物大灭绝。

每一次的生物大灭绝，都会使得一半以上，甚至绝大部分的生物灭亡。但是比较凑巧的是，每一次生物的灭绝，都和氧气的突然上升或者下降有关。如果我们算一下上一次生物大灭绝是6600万年前，按照这个频率的话，那下一次的氧气波动可能就不太远了。

下一次的氧气波动会造成怎么样的情况，是否会使地球上的生命来一次重新的洗牌，人类是否会重蹈恐龙的覆辙？这些问题希望大家可以回去考虑。

其实我特别想说一点是，我们提出的理论还属于一个假说。假说的本质是，它还需要很多的实验、很多的数据去支持。

我们当年，2016年完成这个工作的时候，首先投稿。投稿我们首先想到的是投稿《科学》杂志，结果马上就被拒稿了。

但其实转念一想，如果我们想的东西跟之前的传统理论完全一样，很对这些传统编辑也好、审稿人也好，对他们的胃口的话，这样的工作其实它的重要性也就没有这么大，但这也是激励我们去做更多的工作，然后慢慢地将我们的假说完善起来。

从2016年起到2021年，我们的工作都一直在进行着，被《科学》拒稿之后，我们转投了《自然》马上就被接收了。

所以就开始吸引一些人去重复我们的工作，至今为止已经经历了差不多有五个年头，然后我们也解决了一些比较有挑战性的项目。

比如说我们后来发现了，这个二氧化铁里面可以包含有少量的氢，然后我们对二氧化铁做了一些化学分析，发现里面的铁其实是一个正二价等等，这样的东西我们到现在一直是在努力去完善它。

我想特别感谢一下我的导师毛河光先生，已经年近八十了，但是还是活跃在科研的第一线。他也是整个高压科学的泰山北斗。

我还想特别感谢一下日本爱媛大学的西真之教授。我们当时发布工作的时候，西真之教授就对我们的工作提出了严厉的批评。他觉得我们的结果应该是错误的，因为在他们看来水应该是最小的单位，不管深度是如何，它绝对不会发生分解，变成氢气和氧气。

正是因为有了西真之教授的激励也好、鞭策也好，我们不得不在很短的时间之内，去回答他提出的很多问题，而且很多问题都很棘手。