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约30年前，理论预测水（H2O）在极端高温高压条件会进入一种介于固态冰与液态水之间的新形态——超离子态。这种形态下水分子中的氢原子（H）会脱离晶格的束缚而在固体氧原子（O）晶格中像液体一样自由扩散，从而导致导电能力大幅度增加，使固态冰由绝缘体向导体转变。这种理论预测的“超离子态冰”直到2018年才被科学家采用光导率测量的实验方法在动态激光加载下证实。水的超离子态对以水为重要组成物质的大质量行星，如天王星和海王星，有着深远的影响，可以解释这些含水星体的电导率异常和磁场偏转现象。

地球表面覆盖着大面积的水，然而地球内部不存在或含有极少量的自由水（冰），尤其在下地幔深部水是以羟基氢氧根（OH-）形式赋存在矿物中。不同于超离子冰中的固体氧晶格，下地幔矿物主要由镁（Mg）、铁（Fe）、硅（Si）和氧等原子组成晶格。在地球内部高温高压环境下，氢原子能否像在氧晶格中一样在复杂的含水矿物晶格中自由流动而形成超离子态？这对于理解地球内部的物质循环、热量传导、磁场状态、电场状态和氢元素的循环等具有非常重要的影响。

北京高压科学研究中心的胡清扬、Duckyoung Kim和刘锦研究员带领的研究团队使用理论计算和实验相结合的方法首次发现了地球深部的超离子态——含水矿物羟基氧化铁(FeO2H)会在压力大约75万大气压，温度高于1500摄氏度的条件时进入超离子态。这个温度和压力范围覆盖了下地幔深部的大部分区域。相关工作以“ Superionic iron oxide-hydroxide in Earth’s deep mantle ”为题发表于近期的 Nature Geosciences 上。

图示：深下地幔高导电的超离子态。

2016年北京高压科学研究中心的胡清扬研究员发现了黄铁矿结构的二氧化铁FeO2（Fe的价态为+2价），而相同结构的FeO2H可以理解为以FeO2结构为基础的含水矿物（ Nature , 2016）。2017年刘锦研究员发现FeO2H可能在核幔边界富集，并形成超低地震波波速带（ Nature， 2017）。DuckyoungKim研究员通过理论模拟预测发现了FeO2H中的氢在高温下具有很强的流动性，能部分挣脱氧的束缚，形成一种介于FeO2和FeO2H的混合形态，该结果近年来发表于 PNAS ， JACS 、 NSR 、 Geoscience Frontiers 等期刊上。

FeO2H中的氢具有的流动性是其进入超离子态的雏形，为了进一步研究FeO2H是否能产生超离子态，在北京高压科学研究中心毛河光院士的指导下，该团队进行了一系列的原位高温高压实验测量和理论计算。

拉曼光谱测量表明O-H键的拉曼峰会在压力高于73万大气压的条件下向低波数移动。“通常情况下，同一个拉曼峰在压力作用下由于原子间距离的缩减而向高波数移动。此处拉曼峰的蓝移预示着O-H键的强度减弱，这一实验结果与理论计算的结果相符。O-H键在高压下逐渐减弱，会形成局域性的自由扩散，”何宇博士谈到，“理论预测高压下当温度升高到1400摄氏度或更高，质子能完全脱离氧原子的束缚，发生快速扩散，其扩散系数高达10-8-10-7平方米每秒，可与液体分子运动类比，这完全符合超离子态的定义。”

该研究团队预测在超离子态下自由移动的氢离子会导致FeO2H x 的电导率在相变点突然增加。“我们在金刚石压砧内设计了四电极的范德堡测量方法，实现了高温高压下材料的电导率测量。在100-121万大气压下，当FeO2H x 被加热到1500-1700摄氏度时其电导率增大了两倍，”侯明强博士介绍说，“高温促使氢离子像自由电子一样在的FeO2晶格中自由移动，从而使电导率急剧增加。电导率的突变是超离子态最直接最强有力的证据。”

“这是地幔深部第一个发现的超离子态含水矿物。传统上认为受制于固体相的高粘性，地幔对流是很慢的，时常需要以万年甚至百万年为单位研究地幔内部的活动。超离子态氢类似于液体，在高温下能进行高速扩散运动。它不但能够快速传递热能，同时由于氢具有质量，因而也是物质传输的载体。这一发现将使得地幔对流速率比以往提升数个数量级，对地球内部的物质和能量循环的认识将是一个颠覆性的工作。”北京高压科学研究中心主任毛河光院士点评道。

该论文的第一作者是侯明强博士和何宇博士，通讯作者是胡清扬研究员、刘锦研究员和Duckyoung Kim研究员。此工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和腾讯基金会等项目的支持。

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地球的生机勃勃是37亿年来生命不断积累的结果，虽然在最近5-6亿年间，地球上经历了大大小小二十余次物种灭绝事件，但是生命的顽强让一切得以延续。随着时间的发展地球上的生存环境变得越来越宜居，要知道地球形成之初可以称得上是完全的人间炼狱。

地球的宜居环境因素有很多，目前普遍认为地球在太空中的位置至关重要，它距离太阳不远也不近，接收到的太阳辐射能恰恰好，可以让地球上保证适宜的温度。当然太阳的存在并不是唯一因素，地球内部的热量也是主要原因，同时还能为地球带来保护罩磁场。而在最近，科学家发现地球的冷却速度或许远超预期，地球正在快速的“变凉”！

太阳系内有八大行星，其中距离太阳较近的四颗是岩石天体，距离太阳较远的四颗是气态巨行星。地球作为岩石天体，其表面拥有坚硬的外壳，但是其内部也是熔融态的，这也是地球上火山喷发出岩浆的来源。

01、地球形成之初

按照目前的观点宇宙诞生于138亿年前的宇宙大爆炸，而太阳系形成于50亿年前，算是第二代恒星。原始星云在不断的自旋过程中，星云物质不断聚集到密度较大的中心点，直到核聚变发生的那一刻，一颗炽热的大火球就形成了。

同样的到来在太阳周围紧接着形成一些大行星以及小天体等，很多天体碎片被推离到太阳系的边疆，一些大行星在太阳周围形成并占据主要的轨道。

地质学家认为地球的形成并不是一帆风顺的，起初或许是一颗很小的天体，在太阳系初期混乱的环境中，不断的和其他天体碰撞融合，最终形成了现在的地球雏形。地球形成之初温度是非常高的，甚至表面都是熔融态，但随着时间的发展成为分层结构。

02、地球的内部结构

地球内部有着明显的分层结构，最外层是地壳、中间是地幔，核心处就是地核，而地核又分为外核和内核。

地壳是地球的最外层，是地球生命分布的主要场所，平均厚度在17公里左右，当然深海处地壳较薄，高原山峰处地壳较厚。而地幔是地球最重的一层，厚度在2800公里。而最核心处就是地核，拥有非常高的温度和压力，整体呈现液态和熔融态。

03、地球自冷速度远超预期

地球上的温度并非全部都是接收到的太阳辐射能，地球内部不断的向外释放热量，因此说整体呈现出从内到外温度渐降的过程。

近日《地球与行星科学快报》(Earth and Planetary Science Letters)期刊上一篇研究论文或许改变人们对地球演化的预测，科学家发现在地幔和地心边界的热传导能力要远超预期，至少是此前认为的倍。热传导能力越强也意味着地球内部向外释放热量的能力越强，也就是地球冷却速度越快。

目前科学家尚不清楚地球变凉的具体时间或者具体速度，科学家只是通过对“bridgmanite”进行测试，这种岩石被称为布里奇曼石或者布式岩，它们主要分布在地核与地幔之间。科学家发现这种岩石的导热能力要比之前认为的更强，至少是倍，这也就意味着地球的冷却散热能力比以往要更强。

地球内部冷却变量，并非大家所担忧的那种温度骤降，变成一颗冰雪星球，温度并不是人类担忧的主要因素，因为地球内部的冷却凝固，导致地球磁场的消失才是科学家最为担忧的。

丢失掉自己的磁场结果是什么样？鲜明的例子摆在那里，科学家认为远古火星应该是宜居的，甚至可能诞生过生命，但就因为磁场的消失，最终火星的大气层被太阳风一点点的剥离，液态水也全部的被蒸发。那么地球变凉的结果或许就是变成第二颗火星，人类如果不寻找新的宜居家园，在地球上是很难生存和繁衍的。

当然，地球“变凉”的时间是不确定的，虽然未来地球一定会朝着这个方向演化，但人类是否有时间等待就很难说了。

人类或者说任何生物在地球上的生存和繁衍，都需要一个适宜的生存环境。而地球气候环境的改变或者说不定时出现的自然灾害，才是对人类威胁最大的隐患。当然除了这些，地球有它自己必须要经历的结局，这是躲不开的。

01、太阳走向生命终点

地球的生机勃勃这一切还要得益于太阳的无私奉献，但是作为一颗恒星它是有寿命的，太阳彻底消耗掉其内部的“燃料”就是太阳走向生命终点的那一天，当然也是地球的结局。按照太阳的质量，它的寿命大约是100亿年，目前已经过去一半。太阳变成致密星白矮星之前，有两个比较重要的节点，对于地球来说是致命的。

首先太阳内核处的氢核不断发生核聚变，生成大量的氦，这个过程是太阳能量的主要来源。随着氦在太阳内核处的累积，当达到一定的温度和压力，就会引发氦的聚变，这个过程又被称为氦闪。它不会像氢核的聚变那么平稳，这个过程是迅速且猛烈的。

产生的结果就是太阳周围的四颗岩石天体会瞬间被冲击汽化，而距离较远的四颗气态行星被推离轨道。

其次是太阳走向生命终点之前，其温度会不断上升最后膨胀进入红巨星阶段，在这个时期科学家认为太阳的外边缘位置会到达现在火星的轨道处，那么地球的结果如何也就显而易见了。

02、星系碰撞

这里的星系碰撞，指的是银河系和仙女座星系的碰撞，当然两个星系碰撞融合的过程，一般是不会影响星系内恒星的，主要还是因为恒星之间的距离有些远。

但也存在一种情况，因为星系的融化，改变了太阳系周围的恒星分布，或许有某颗流浪恒星不小心接近太阳系，那么产生的结果会相当严重。因为出现的引力干扰，会让太阳系周围大量的天体碎片出现紊乱，最终导致地球周围出现越来越多的地外天体，如果路线错误就可能撞击到地球表面。

当然银河系和仙女座星系的碰撞融合是一个缓慢的过程，从30亿年后开始接触可能持续到70亿年后。

其实无论是太阳走向生命终点，还是地球冷却速度变快，它们的发生时间都是非常漫长的，一个只有数百万年演化史的人类是否能发展那么长时间还很难说。因此，那些摆在我们面前的才是真正需要担忧的，例如环境的破坏、气候的改变等等。

NREE：地球深部地幔弹性性质的实验进展

地幔的物理和化学性质影响着地幔的动力学过程，不仅控制了地幔内部的行为，对地表板块构造的性质同样有很强的控制作用。因此，准确和定量地理解地幔的物理和化学性质有助于我们 探索 地球或者其他行星的演化 历史 。然而，地球深部的不可入性是对其进行研究的最大难题，人们主要通过反演地震观测数据来约束深部地幔的物质成分和温度。现在地震观测的数据越来越多，也越来越精确，而更大的挑战是如何很好地解释这些观测数据，例如对于地幔中存在的一系列异常（如大型低剪切波速省、过渡带的波速异常和地幔中部广泛存在的散射体等，图1）仍然缺乏合理的解释，这主要是由于我们对地幔中可能存在的矿物在高温高压下的弹性性质缺乏足够的理解。

图1 地球地幔中地震结构解释图

即使是上地幔中含量最丰富、研究最多的橄榄石矿物，最高也只有在1300 K和13 GPa下测量的弹性性质的实验数据，比地幔温度低了几百度；地幔中其他矿物相的弹性性质数据更少，而且大多局限于较低的温度和压力，这就需要对这些矿物的弹性性质数据外推至地幔条件才能直接解释地震观测结果。然而有一些矿物性质（如变价元素的自旋状态、晶体缺陷的浓度等）的改变会影响矿物弹性性质的变化规律（图2），例如人们一般认为铁方镁石的纵波波速会随着温度的升高而降低，但是在中部地幔压力条件下，铁方镁石中的铁如果发生了自旋状态的转变，那么理论上纵波波速会随着温度的升高而升高，这就颠覆了铁方镁石的弹性性质随温度的变化规律。因此，通过状态方程外推矿物在高温高压下的弹性数据并不可靠，地震反演依赖于地幔温压条件下原位测量得到的矿物的弹性数据。

随着过去几年新的原位分析技术的出现，人们已经可以在相对高温高压条件下直接测量矿物的弹性性质，为地幔波速异常区域（例《CaSiO 3 钙钛矿的地震波速实验测定及其对下地幔LLSVPs的启示》）提供了新的约束。但是目前实验的温压区间仍然非常有限，远未达到下地幔的温压条件，因此，高温高压下测量矿物的弹性性质的技术方法非常重要。英国牛津大学的Hauke Marquardt及其合作者在Nature Reviews Earth & Environment期刊上发表综述文章（Marquardt and Thomson, 2020），总结了测定深部地幔条件下矿物弹性性质的主要技术，着重讨论了这些技术的潜力、局限性和误差，同时也总结了最近在实验上取得的关于深部地幔矿物弹性性质的认识。

图2 过渡带和下地幔矿物学

目前已经有许多实验技术被用来研究地球深部物质的弹性性质，包括非弹性X射线散射、非弹性光散射（可见光）以及超声波技术等。这些实验方法可以准确测定矿物波速、弹性各向异性、声子态密度以及声子寿命等，但是有一些实验方法（如共振超声光谱、非弹性中子散射等）只能用于常压条件下的测试。非弹性X射线散射（IXS）和核共振非弹性X射线散射（NRIXS）这两种技术非常耗时间（观测单个速度需要2 24小时），并且需要用到同步辐射加速器，因此这些技术还较少应用于地幔矿物的研究。目前地球科学领域最广泛使用的是非弹性光散射和超声波干涉技术。Marquardt重点对这些技术的基本原理和现状进行了总结。

一、光散射技术

光散射技术包括布里渊光谱（BS）和脉冲激光散射技术（ISLS），结合DAC可以直接测量地幔压力下的矿物弹性性质。过去20年里这两种技术得到了广泛普及，尤其是高压布里渊散射系统的数量在2020年已经超过了十套。光散射技术正为研究地幔矿物的弹性性质提供着关键信息。

1.布里渊光谱（BS）

布里渊光谱法主要是利用探测激光穿过样品时与样品声子发生非弹性相互作用产生散射光，通过测量激光与散射光之间的频率偏移可以直接算出声速（图3），因此样品需要保持透明来发生光学散射。在DAC中，高压下用BS测量的声速数据的准确度和精度分别优于1%和，但是布里渊信号受样品厚度的影响很大，因此在地幔压力条件的BS实验中样品必须非常薄（