地球内核可能富含氧气

氧气是生命存在的关键物质，也是地球上最丰富的元素之一。然而，仍然不知道内核中是否存在氧气(以及它可能以何种形式存在)，内核几乎由纯铁组成，并且存在极端高压和高温条件。

HPSTAR(高压科学与技术高级研究中心)刘金博士和哥伦比亚大学孙杨博士共同领导的科学家们揭示，富铁Fe-O合金在近300 GPa和高压的极端压力下是稳定的温度超过 3,000 K。

该成果发表在The Innovation杂志上，证明氧气可以存在于固体内核中，这为进一步了解地核的形成过程和演化历史提供了关键约束条件。

地球的固体内核，作为地球上最神秘的地方之一，处于地球上最极端的温度和压力环境中，压力超过300万个大气压，温度接近太阳表面，大约6,000 K。

由于内核远非人类所能触及，我们只能从地震产生的地震信号中推断出它的密度和化学成分。目前认为内核中存在轻元素，但其类型和含量仍有争议。宇宙化学和地球化学证据表明它应该含有硫、硅、碳和氢。实验和计算也证实，这些元素与纯铁混合在地球深部的高温高压条件下与纯铁混合形成各种铁合金

然而，氧气通常被排除在内核之外。这主要是因为在地表或地幔环境中从未发现过富含铁成分的 Fe-O 合金。所有已知的氧化铁中的氧含量都大于或等于 50 原子百分比。尽管人们一直在尝试合成具有富铁成分的氧化铁化合物，但至今仍未发现此类物质。

地球内核这么“缺氧”吗?为了回答这个问题，本研究进行了一系列的实验和理论计算。

为了接近地核的温度和压力，将纯铁和氧化铁放在两个金刚石砧的尖端，并用高能激光束加热。经过多次尝试，发现铁和氧化铁在220-260 GPa和3,000 K以上发生化学反应。XRD结果表明反应产物不同于常见的纯铁高温高压结构和氧化铁。

使用遗传算法进行的理论晶体结构搜索证明，富铁 Fe-O 合金可以在大约 200 GPa 下稳定存在。在这种条件下，新型富铁 Fe-O 合金形成六方密排结构，其中氧层排列在铁层之间以稳定结构。这种机制产生许多密排排列，形成一大类具有大构型熵的富铁 Fe-O 化合物。

基于该理论信息，发现 Fe 28 O 14的原子构型与实验测量的 XRD 图相匹配。进一步的计算表明，富铁的 Fe-O 相是金属的，这与低压下的常见铁氧化物不同。电子结构取决于 O 浓度和 Fe 和 O 层排列。该合金的力学性能和热学性能有待今后进一步研究。