地球外核在生銹嗎？

地球表面的鐵，無(wú)論是簡(jiǎn)單的釘子還是堅(jiān)固的大梁，當(dāng)暴露在潮濕空氣或含氧的水中時(shí)，就會(huì)逐漸發(fā)生氧化反應(yīng)。這種反應(yīng)的紅褐色產(chǎn)物就是鐵銹，可以由各種形式的含水氧化鐵和氧化鐵氫氧化物組成。在美國(guó)西南部的干旱氣候區(qū)，以及其他許多地方發(fā)現(xiàn)的紅色巖石都屬于同一種氧化鐵礦物——赤鐵礦；而在潮濕的環(huán)境中，像赤鐵礦這樣的鐵礦石會(huì)風(fēng)化成鐵的堿式氧化物——針鐵礦（FeOOH）。

在地球深處，確切地說(shuō)，在地球表面以下2900千米深處，大量的熔融鐵組成了地球的外核。那么，外核也會(huì)生銹嗎？

最近，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵在接近100萬(wàn)大氣壓（類似地幔深處）的壓力下與水分——以水或含氫氧基礦物的形式——相遇時(shí)，會(huì)形成過(guò)氧化鐵或高壓形式的氧化鐵-氫氧化鐵，結(jié)構(gòu)與黃鐵礦相同（稱為黃鐵礦型FeOOH）。換句話說(shuō)，這些實(shí)驗(yàn)中的氧化反應(yīng)確實(shí)會(huì)形成高壓鐵銹。

如果鐵銹確實(shí)存在于外核與地幔的交界處（地核-地幔邊界，簡(jiǎn)稱CMB，又稱古登堡界面），那科學(xué)家們或許有必要更新他們對(duì)地球內(nèi)部及其歷史的看法。這些鐵銹可以揭示下地幔的深水循環(huán)和超低速區(qū)（ULVZs）的神秘起源。超低速區(qū)是位于地球流體核心上方一層小而薄（不超過(guò)50千米）的區(qū)域，地震波速在此顯著降低。這些鐵銹或許還可以解釋大氧化事件（GOE）和新元古代氧化事件（NOE），前者標(biāo)志著地球富氧大氣層的開(kāi)始，大約發(fā)生在25億到23億年前；后者發(fā)生在10億到5.4億年前，使大氣中的自由氧達(dá)到現(xiàn)在的水平。

但是，我們?nèi)绾沃拦诺潜そ缑媸欠褚呀?jīng)生銹了呢？

地球表面的紅色巖石主要來(lái)自于氧化的赤鐵礦和針鐵礦。在地球表面2900千米以下的地核-地幔邊界（古登堡界面）可能存在的鐵銹沉積物，可能由具有黃鐵礦樣結(jié)構(gòu)的氧化鐵-氫氧化鐵礦物組成。這種鐵銹物質(zhì)可以解釋地震數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的超低速區(qū)（ULVZ）。超低速區(qū)的檢測(cè)閾值反映了當(dāng)前地震斷面掃描的分辨率。

地核-地幔交界的地震特征

盡管目前還無(wú)法在古登堡界面下開(kāi)采礦物，但我們可以用其他方法進(jìn)行檢測(cè)。如果地核會(huì)隨著時(shí)間的推移而生銹，那么在古登堡界面上可能已經(jīng)積累了一層鐵銹，能夠顯示出某些地震特征。

實(shí)驗(yàn)室研究表明，地核的氧化鐵-氫氧化鐵銹（即FeOOHx，其中x是0 到1的數(shù)值）可能導(dǎo)致穿過(guò)它的地震橫波（Vs）和縱波（Vp）速度顯著降低，就像超低速區(qū)的巖石（或部分熔融）。事實(shí)上，與初步參考地球模型中作為深度函數(shù)的平均地震波速度相比，地核鐵銹可以使橫波和縱波速度分別降低44%和23%。如果地核鐵銹堆積的厚度超過(guò)3到5千米，巨大的地震波降速將使其在地震層析成像中被識(shí)別出來(lái)。

難點(diǎn)在于區(qū)分超低速區(qū)的地震異常是由地核鐵銹引起的，還是由其他原因引起的。例如，通常認(rèn)為發(fā)生在下地幔底部的部分熔融是造成超低速區(qū)的原因，而這也可能導(dǎo)致類似于地核鐵銹造成的地震波速度降低。

理論上，科學(xué)家應(yīng)該可以用地震斷層掃描來(lái)區(qū)分古登堡界面的地核鐵銹與部分熔融。地震斷層掃描通常是通過(guò)數(shù)學(xué)反演過(guò)程生成的，該過(guò)程將計(jì)算得到的地震波形與觀測(cè)到的波形相匹配。反演過(guò)程需要確定擬合數(shù)據(jù)的可能數(shù)學(xué)解，然后根據(jù)其他考慮因素，從這些解中選擇一個(gè)“最佳”解。

每一個(gè)可能的數(shù)學(xué)解都對(duì)應(yīng)一組與所涉及材料的物理性質(zhì)相關(guān)，但又有明顯區(qū)別的模型參數(shù)，例如鐵銹材料的橫波、縱波和密度的相對(duì)差異，以及該材料周圍地幔的平均值。

這些差異可能隨地幔中材料含量不同而變化，但每種材料通常都表現(xiàn)出橫波與縱波的微分對(duì)數(shù)比的特征值范圍（δlnVs：δlnVp），可以用來(lái)在地震斷層掃描中區(qū)分不同材料。根據(jù)礦物物理實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)于所有可能的解釋超低速區(qū)來(lái)源的材料，該比值的下限為1.2：1，上限為4.5：1。在這個(gè)范圍內(nèi)，地核鐵銹（黃鐵礦型FeOOHx）的比值介于1.6：1和2：1之間，與其他材料不同。

不同材料的地震波速度比值范圍

鐵銹起源的證據(jù)

到目前為止，地震學(xué)家已經(jīng)在60%的古登堡界面中進(jìn)行了取樣，以尋找超低速區(qū)，并已經(jīng)確定了近50個(gè)地震波異常位置，占古登堡界面區(qū)域的20%，這可能代表著超低速區(qū)。這些區(qū)域大多與地幔最下方的大低剪切速度省（LLSVPs）耦合，δlnVs：δlnVp約為3：1，表明存在部分熔融。

然而，其中一些位于太平洋下方LLSVP邊緣或外部的區(qū)域，其最佳擬合比約為2：1。例如，位于太平洋LLSVP北部邊界（約北緯9度，西經(jīng)151度）的一個(gè)超低速區(qū)，以及墨西哥北部（約北緯24度，西經(jīng)104度）下面的一組超低速區(qū)都探測(cè)到了表明黃鐵礦型FeOOHx存在的δlnVs：δlnVp比值。

這些超低速區(qū)的一個(gè)共同特點(diǎn)是，它們位于古登堡界面上一個(gè)溫度相對(duì)較低的區(qū)域，比LLSVP內(nèi)的平均溫度低幾百開(kāi)爾文。低溫表明這些區(qū)域不是由熔融機(jī)制產(chǎn)生的。值得注意的是，科學(xué)家已經(jīng)確定，墨西哥北部下方的區(qū)域是由大約2億年前沉積到北美洲和中美洲西部的深俯沖遺跡組成的，這表明從俯沖板塊釋放的水可能已經(jīng)銹蝕了古登堡界面處的外核。

地核生銹的后果

科學(xué)家認(rèn)為，地球下地幔的主要礦物布氏巖（bridgmanite）幾乎不具備儲(chǔ)水的能力。然而，地核的銹蝕可能會(huì)在古登堡界面形成一個(gè)大容量的蓄水池——FeOOHx鐵銹可能含有重量分?jǐn)?shù)約7%的水。因?yàn)榈睾髓F銹平均比地幔重，這個(gè)蓄水池會(huì)傾向于停留在古登堡界面。因此，在理論上，水可以被運(yùn)輸并儲(chǔ)存在地核外側(cè)，至少在地幔對(duì)流將這些水從俯沖板塊遺跡附近的較冷區(qū)域帶走，并使其熱不穩(wěn)定之前是這樣。

這些地核附近的水是否會(huì)循環(huán)回地表，以及在什么時(shí)候回到地表，很大程度上取決于地核鐵銹的熱穩(wěn)定性。一些科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，聲稱FeOOHx在古登堡界面下的壓力下，所能承受的最高溫度約為2400K。然而，其他科學(xué)家在類似壓力下，觀察到FeOOHx可以存在于3100至3300K。但無(wú)論FeOOHx能承受多大的最高溫度，當(dāng)?shù)睾髓F銹隨著地幔對(duì)流遷移到古登堡界面更熱的區(qū)域時(shí)，很可能會(huì)分解為赤鐵礦、水和氧氣。這一過(guò)程為地球大氣的氧化歷史提供了可能的解釋。

地質(zhì)、同位素和化學(xué)證據(jù)表明，在太古宙期間，地球大氣的大部分或全部都處于缺氧狀態(tài)。在太古宙之后，大約24億年前的大氧化事件時(shí)期，分子氧首次進(jìn)入大氣。大氣中氧含量的第二次主要上升期是新元古代氧化事件，大約發(fā)生在7.5億年前，使其濃度接近今天的水平。

科學(xué)家仍然不確定這些氧化事件背后的原因。對(duì)于大氧化事件的一個(gè)可能解釋是藍(lán)藻的出現(xiàn)，藍(lán)藻是植物光合作用的早期先驅(qū)。近20億年之后發(fā)生的新元古代氧化事件，被歸因于海洋光合作用的快速增加和光周期的增長(zhǎng)（即更長(zhǎng)的日照時(shí)間）。

然而，這些解釋遠(yuǎn)非無(wú)懈可擊。例如，除了大氧化事件與藍(lán)藻在地球上的出現(xiàn)時(shí)間不匹配之外，若干研究都表明大氣中的氧氣在大氧化事件開(kāi)始時(shí)大量增加之后，可能緊接著就急劇下降至較低水平，并持續(xù)了數(shù)百萬(wàn)年。到目前為止，基于藍(lán)藻光合作用的解釋還沒(méi)有令人信服的證據(jù)。

此外，盡管科學(xué)家普遍認(rèn)為大氧化事件與新元古代氧化事件期間相比，大氣中的氧濃度只略微提高，但在實(shí)驗(yàn)室研究中，通過(guò)分析光周期對(duì)微生物席——其光合作用群落和化學(xué)合成群落具有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系——凈氧輸出的影響，他們得出了一個(gè)矛盾的結(jié)果。在新元古代氧化事件期間，更長(zhǎng)的日照并沒(méi)有導(dǎo)致這些微生物席產(chǎn)生更多的氧氣；實(shí)驗(yàn)表明，在新元古代氧化事件期間，晝長(zhǎng)增加（從21小時(shí)到24小時(shí)）所導(dǎo)致的氧氣增加可能只有大氧化事件期間（晝長(zhǎng)增加至21小時(shí)）的一半。

因此，歸因于藍(lán)藻和光周期長(zhǎng)度的變化并不能對(duì)大氧化事件或新元古代氧化事件期間大氣氧含量的增加提供完整或一致的解釋，我們還不能排除這些事件起源的其他機(jī)制。

地核鐵銹（FeOOH0.7）可能在攜帶含水礦物的相對(duì)低溫的俯沖板塊與外核相遇時(shí)形成。從低溫區(qū)域流出的鐵銹在地幔對(duì)流的作用下，會(huì)沿著地核-地幔邊界遷移到地幔柱根部的較熱區(qū)域，并在那里變得不穩(wěn)定，分解為赤鐵礦、水和氧氣

俯沖、遷移、對(duì)流、噴發(fā)

幾十年來(lái)，研究者一直未能找到確鑿的證據(jù)，來(lái)證明地球板塊構(gòu)造是何時(shí)開(kāi)始的。然而，最近的一些研究表明，俯沖作用在33億年前就開(kāi)始將含水礦物帶到地幔深處。實(shí)驗(yàn)研究顯示，俯沖板塊中的含水礦物能夠?qū)⑺恢陛斔偷焦诺潜そ缑妗Ｈ绻沁@樣的話，第一塊古代巖石板塊在與地核接觸時(shí)可能就發(fā)生了銹蝕。地核鐵銹可能在古登堡界面中逐漸堆積，從而形成了超低速區(qū)。在地幔對(duì)流的驅(qū)動(dòng)下，這堆鐵銹從熔融的外核頂部較冷的俯沖區(qū)域遷移，開(kāi)始逐漸升溫，當(dāng)它到達(dá)地幔柱扎根的較熱區(qū)域時(shí)，可能就會(huì)變得很不穩(wěn)定。

就像典型的火山爆發(fā)會(huì)間歇性地發(fā)生一樣，溫度驅(qū)動(dòng)的地核鐵銹分解可能會(huì)導(dǎo)致地表氧氣的間歇性爆發(fā)。與藍(lán)藻光合作用逐漸增加的氧氣相比，這樣的爆發(fā)釋放氧氣的速度可能遠(yuǎn)快于地表環(huán)境的反應(yīng)和消耗，導(dǎo)致大氣氧氣水平最初迅速上升，隨后下降。

與地表巖漿噴發(fā)的持續(xù)時(shí)間相比，大型鐵銹堆的堆積和向熱分解地點(diǎn)的遷移可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間。事實(shí)上，一些形成的鐵銹堆可能還沒(méi)有達(dá)到足以引起分解的溫度，而它們周圍的深層地幔的負(fù)浮力會(huì)使其保持在古登堡界面下。地質(zhì)記錄表明，地球表面直到32億年前還都被海洋完全覆蓋。水從地球表面的凈去除，以及在深層地幔中以地核鐵銹的形式儲(chǔ)存，都可能推動(dòng)了太古宙大陸的出現(xiàn)，盡管由板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)的地表、地形變化，以及浮力大陸的增長(zhǎng)對(duì)此也有貢獻(xiàn)。

潛在的范式轉(zhuǎn)變

我們每個(gè)人都能看到地球表面的鐵會(huì)生銹，但遺憾的是，沒(méi)有人能直接證明地球表面2900千米以下的液態(tài)鐵核心也會(huì)發(fā)生類似的銹蝕現(xiàn)象。然而，持續(xù)的研究將有助于消除種種不確定性，并回答一些關(guān)鍵的問(wèn)題，比如地核鐵銹是否與大氧化事件和新元古代氧化事件有關(guān)。

我們尤其需要更多的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，來(lái)精確確定地核鐵銹在古登堡界面條件下與熔融鐵達(dá)到平衡時(shí)的熱穩(wěn)定性和成分穩(wěn)定性極限。例如，我們需要研究地核鐵銹與液態(tài)鐵在高壓、高溫下的平衡。其他的研究可以檢驗(yàn)鐵銹在高壓下的熱穩(wěn)定性。這些實(shí)驗(yàn)很有挑戰(zhàn)性，但就目前激光加熱的金剛石對(duì)頂砧的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Χ裕强尚械摹?/p>

此外，我們還需要進(jìn)行額外的工作，以確定俯沖何時(shí)開(kāi)始，特別是何時(shí)開(kāi)始“濕俯沖”，即將含水礦物帶到地球內(nèi)部深處。地球化學(xué)證據(jù)表明，濕俯沖直到22.5億年前才開(kāi)始，而不是33億年前。這么晚才開(kāi)始的濕俯沖可能會(huì)挑戰(zhàn)地核鐵銹是大氧化事件起源的假說(shuō)。

此外，地幔對(duì)流是否涉及層狀環(huán)流（上、下地幔中單獨(dú)的對(duì)流單元）、全地幔環(huán)流或二者的某種混合形式，這些問(wèn)題仍需澄清。如果地幔盛行層狀環(huán)流，俯沖板塊將無(wú)法進(jìn)入下地幔。因此，無(wú)論是全地幔還是混合對(duì)流，俯沖板塊及其攜帶的含水礦物都必須存在，才能到達(dá)古登堡界面，并導(dǎo)致潛在的外核生銹。

如果我們能拼湊出完整的拼圖，那么外核的鐵銹很可能確實(shí)是地球上一個(gè)巨大的內(nèi)部氧氣發(fā)生器——或許下一場(chǎng)大型的大氣氧化事件即將發(fā)生。這種事件可能會(huì)引發(fā)各種各樣的問(wèn)題，包括對(duì)未來(lái)環(huán)境、氣候和可居住性產(chǎn)生的影響。在短期內(nèi)，確認(rèn)地球的外核鐵銹將使我們轉(zhuǎn)變對(duì)地球深層內(nèi)部的理解，并預(yù)測(cè)地球深層內(nèi)部將如何從根本上影響地球表面的環(huán)境和生命活動(dòng)。