地球外核在生鏽嗎?

2022年05月17日11:39
美國亞利桑那州紀念碑穀的貓頭鷹岩。該岩石的紅色來自於氧化鐵礦物。最近的實驗表明,鐵氧化物也可能在地球表面之下形成,甚至深達地核與下地幔的交界處。
美國亞利桑那州紀念碑穀的貓頭鷹岩。該岩石的紅色來自於氧化鐵礦物。最近的實驗表明,鐵氧化物也可能在地球表面之下形成,甚至深達地核與下地幔的交界處。

  當俯衝帶攜帶著含水礦物深入到地幔深處時,可能就會“鏽蝕”地球的鐵質外核,形成巨大的氧氣彙。之後,這些氧氣就會回到大氣層中。

  地球表面的鐵,無論是簡單的釘子還是堅固的大梁,當暴露在潮濕空氣或含氧的水中時,就會逐漸發生氧化反應。這種反應的紅褐色產物就是鐵鏽,可以由各種形式的含水氧化鐵和氧化鐵氫氧化物組成。在美國西南部的乾旱氣候區,以及其他許多地方發現的紅色岩石都屬於同一種氧化鐵礦物——赤鐵礦;而在潮濕的環境中,像赤鐵礦這樣的鐵礦石會風化成鐵的堿式氧化物——針鐵礦(FeOOH)。

  在地球深處,確切地說,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。那麼,外核也會生鏽嗎?

  最近,科學家在實驗中發現,當鐵在接近100萬大氣壓(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,會形成過氧化鐵或高壓形式的氧化鐵-氫氧化鐵,結構與黃鐵礦相同(稱為黃鐵礦型FeOOH)。換句話說,這些實驗中的氧化反應確實會形成高壓鐵鏽。

  如果鐵鏽確實存在於外核與地幔的交界處(地核-地幔邊界,簡稱CMB,又稱古登堡界面),那科學家們或許有必要更新他們對地球內部及其歷史的看法。這些鐵鏽可以揭示下地幔的深水循環和超低速區(ULVZs)的神秘起源。超低速區是位於地球流體核心上方一層小而薄(不超過50千米)的區域,地震波速在此顯著降低。這些鐵鏽或許還可以解釋大氧化事件(GOE)和新元古代氧化事件(NOE),前者標誌著地球富氧大氣層的開始,大約發生在25億到23億年前;後者發生在10億到5.4億年前,使大氣中的自由氧達到現在的水平。

  但是,我們如何知道古登堡界面是否已經生鏽了呢?

地球表面的紅色岩石主要來自於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)可能存在的鐵鏽沉積物,可能由具有黃鐵礦樣結構的氧化鐵-氫氧化鐵礦物組成。這種鐵鏽物質可以解釋地震數據中發現的超低速區(ULVZ)。超低速區的檢測閾值反映了當前地震斷面掃瞄的解像度。
地球表面的紅色岩石主要來自於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)可能存在的鐵鏽沉積物,可能由具有黃鐵礦樣結構的氧化鐵-氫氧化鐵礦物組成。這種鐵鏽物質可以解釋地震數據中發現的超低速區(ULVZ)。超低速區的檢測閾值反映了當前地震斷面掃瞄的解像度。

  地核-地幔交界的地震特徵

  儘管目前還無法在古登堡界面下開採礦物,但我們可以用其他方法進行檢測。如果地核會隨著時間的推移而生鏽,那麼在古登堡界面上可能已經積累了一層鐵鏽,能夠顯示出某些地震特徵。

  實驗室研究表明,地核的氧化鐵-氫氧化鐵鏽(即FeOOHx,其中x是0 到1的數值)可能導致穿過它的地震橫波(Vs)和縱波(Vp)速度顯著降低,就像超低速區的岩石(或部分熔融)。事實上,與初步參考地球模型中作為深度函數的平均地震波速度相比,地核鐵鏽可以使橫波和縱波速度分別降低44%和23%。如果地核鐵鏽堆積的厚度超過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別出來。

  難點在於區分超低速區的地震異常是由地核鐵鏽引起的,還是由其他原因引起的。例如,通常認為發生在下地幔底部的部分熔融是造成超低速區的原因,而這也可能導致類似於地核鐵鏽造成的地震波速度降低。

  理論上,科學家應該可以用地震斷層掃瞄來區分古登堡界面的地核鐵鏽與部分熔融。地震斷層掃瞄通常是通過數學反演過程生成的,該過程將計算得到的地震波形與觀測到的波形相匹配。反演過程需要確定擬合數據的可能數學解,然後根據其他考慮因素,從這些解中選擇一個“最佳”解。

  每一個可能的數學解都對應一組與所涉及材料的物理性質相關,但又有明顯區別的模型參數,例如鐵鏽材料的橫波、縱波和密度的相對差異,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出橫波與縱波的微分對數比的特徵值範圍(δlnVs:δlnVp),可以用來在地震斷層掃瞄中區分不同材料。根據礦物物理實驗可知,對於所有可能的解釋超低速區來源的材料,該比值的下限為1.2:1,上限為4.5:1。在這個範圍內,地核鐵鏽(黃鐵礦型FeOOHx)的比值介於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範圍
不同材料的地震波速度比值範圍

  鐵鏽起源的證據

  到目前為止,地震學家已經在60%的古登堡界面中進行了取樣,以尋找超低速區,並已經確定了近50個地震波異常位置,占古登堡界面區域的20%,這可能代表著超低速區。這些區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,其中一些位於太平洋下方LLSVP邊緣或外部的區域,其最佳擬合比約為2:1。例如,位於太平洋LLSVP北部邊界(約北緯9度,西經151度)的一個超低速區,以及墨西哥北部(約北緯24度,西經104度)下面的一組超低速區都探測到了表明黃鐵礦型FeOOHx存在的δlnVs:δlnVp比值。

  這些超低速區的一個共同特點是,它們位於古登堡界面上一個溫度相對較低的區域,比LLSVP內的平均溫度低幾百開爾文。低溫表明這些區域不是由熔融機制產生的。值得注意的是,科學家已經確定,墨西哥北部下方的區域是由大約2億年前沉積到北美洲和中美洲西部的深俯衝遺蹟組成的,這表明從俯衝板塊釋放的水可能已經鏽蝕了古登堡界面處的外核。

  地核生鏽的後果

  科學家認為,地球下地幔的主要礦物布氏岩(bridgmanite)幾乎不具備儲水的能力。然而,地核的鏽蝕可能會在古登堡界面形成一個大容量的蓄水池——FeOOHx鐵鏽可能含有重量分數約7%的水。因為地核鐵鏽平均比地幔重,這個蓄水池會傾向於停留在古登堡界面。因此,在理論上,水可以被運輸並儲存在地核外側,至少在地幔對流將這些水從俯衝板塊遺蹟附近的較冷區域帶走,並使其熱不穩定之前是這樣。

  這些地核附近的水是否會循環回地表,以及在什麼時候回到地表,很大程度上取決於地核鐵鏽的熱穩定性。一些科學家在實驗工作的基礎上,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,其他科學家在類似壓力下,觀察到FeOOHx可以存在於3100至3300K。但無論FeOOHx能承受多大的最高溫度,當地核鐵鏽隨著地幔對流遷移到古登堡界面更熱的區域時,很可能會分解為赤鐵礦、水和氧氣。這一過程為地球大氣的氧化歷史提供了可能的解釋。

  地質、同位素和化學證據表明,在太古宙期間,地球大氣的大部分或全部都處於缺氧狀態。在太古宙之後,大約24億年前的大氧化事件時期,分子氧首次進入大氣。大氣中氧含量的第二次主要上升期是新元古代氧化事件,大約發生在7.5億年前,使其濃度接近今天的水平。

  科學家仍然不確定這些氧化事件背後的原因。對於大氧化事件的一個可能解釋是藍藻的出現,藍藻是植物光合作用的早期先驅。近20億年之後發生的新元古代氧化事件,被歸因於海洋光合作用的快速增加和光週期的增長(即更長的日照時間)。

  然而,這些解釋遠非無懈可擊。例如,除了大氧化事件與藍藻在地球上的出現時間不匹配之外,若干研究都表明大氣中的氧氣在大氧化事件開始時大量增加之後,可能緊接著就急劇下降至較低水平,並持續了數百萬年。到目前為止,基於藍藻光合作用的解釋還沒有令人信服的證據。

  此外,儘管科學家普遍認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,但在實驗室研究中,通過分析光週期對微生物席——其光合作用群落和化學合成群落具有競爭關係——淨氧輸出的影響,他們得出了一個矛盾的結果。在新元古代氧化事件期間,更長的日照並沒有導致這些微生物席產生更多的氧氣;實驗表明,在新元古代氧化事件期間,晝長增加(從21小時到24小時)所導致的氧氣增加可能只有大氧化事件期間(晝長增加至21小時)的一半。

  因此,歸因於藍藻和光週期長度的變化並不能對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制。

地核鐵鏽(FeOOH0.7)可能在攜帶含水礦物的相對低溫的俯衝板塊與外核相遇時形成。從低溫區域流出的鐵鏽在地幔對流的作用下,會沿著地核-地幔邊界遷移到地幔柱根部的較熱區域,並在那裡變得不穩定,分解為赤鐵礦、水和氧氣
地核鐵鏽(FeOOH0.7)可能在攜帶含水礦物的相對低溫的俯衝板塊與外核相遇時形成。從低溫區域流出的鐵鏽在地幔對流的作用下,會沿著地核-地幔邊界遷移到地幔柱根部的較熱區域,並在那裡變得不穩定,分解為赤鐵礦、水和氧氣

  俯衝、遷移、對流、噴發

  幾十年來,研究者一直未能找到確鑿的證據,來證明地球板塊構造是何時開始的。然而,最近的一些研究表明,俯衝作用在33億年前就開始將含水礦物帶到地幔深處。實驗研究顯示,俯衝板塊中的含水礦物能夠將水一直輸送到古登堡界面。如果是這樣的話,第一塊古代岩石板塊在與地核接觸時可能就發生了鏽蝕。地核鐵鏽可能在古登堡界面中逐漸堆積,從而形成了超低速區。在地幔對流的驅動下,這堆鐵鏽從熔融的外核頂部較冷的俯衝區域遷移,開始逐漸升溫,當它到達地幔柱紮根的較熱區域時,可能就會變得很不穩定。

  就像典型的火山爆發會間歇性地發生一樣,溫度驅動的地核鐵鏽分解可能會導致地表氧氣的間歇性爆發。與藍藻光合作用逐漸增加的氧氣相比,這樣的爆發釋放氧氣的速度可能遠快於地表環境的反應和消耗,導致大氣氧氣水平最初迅速上升,隨後下降。

  與地表岩漿噴發的持續時間相比,大型鐵鏽堆的堆積和向熱分解地點的遷移可能需要更長的時間。事實上,一些形成的鐵鏽堆可能還沒有達到足以引起分解的溫度,而它們周圍的深層地幔的負浮力會使其保持在古登堡界面下。地質記錄表明,地球表面直到32億年前還都被海洋完全覆蓋。水從地球表面的淨去除,以及在深層地幔中以地核鐵鏽的形式儲存,都可能推動了太古宙大陸的出現,儘管由板塊構造驅動的地表、地形變化,以及浮力大陸的增長對此也有貢獻。

  潛在的範式轉變

  我們每個人都能看到地球表面的鐵會生鏽,但遺憾的是,沒有人能直接證明地球表面2900千米以下的液態鐵核心也會發生類似的鏽蝕現象。然而,持續的研究將有助於消除種種不確定性,並回答一些關鍵的問題,比如地核鐵鏽是否與大氧化事件和新元古代氧化事件有關。

  我們尤其需要更多的實驗室實驗,來精確確定地核鐵鏽在古登堡界麵條件下與熔融鐵達到平衡時的熱穩定性和成分穩定性極限。例如,我們需要研究地核鐵鏽與液態鐵在高壓、高溫下的平衡。其他的研究可以檢驗鐵鏽在高壓下的熱穩定性。這些實驗很有挑戰性,但就目前激光加熱的金剛石對頂砧的實驗能力而言,是可行的。

  此外,我們還需要進行額外的工作,以確定俯衝何時開始,特別是何時開始“濕俯衝”,即將含水礦物帶到地球內部深處。地球化學證據表明,濕俯衝直到22.5億年前才開始,而不是33億年前。這麼晚才開始的濕俯衝可能會挑戰地核鐵鏽是大氧化事件起源的假說。

  此外,地幔對流是否涉及層狀環流(上、下地幔中單獨的對流單元)、全地幔環流或二者的某種混合形式,這些問題仍需澄清。如果地幔盛行層狀環流,俯衝板塊將無法進入下地幔。因此,無論是全地幔還是混合對流,俯衝板塊及其攜帶的含水礦物都必須存在,才能到達古登堡界面,並導致潛在的外核生鏽。

  如果我們能拚湊出完整的拚圖,那麼外核的鐵鏽很可能確實是地球上一個巨大的內部氧氣發生器——或許下一場大型的大氣氧化事件即將發生。這種事件可能會引發各種各樣的問題,包括對未來環境、氣候和可居住性產生的影響。在短期內,確認地球的外核鐵鏽將使我們轉變對地球深層內部的理解,並預測地球深層內部將如何從根本上影響地球表面的環境和生命活動。(任天)

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