深下地幔高导电的超离子态

北京高压科学研究中心研究员胡清扬、Duckyoung Kim和刘锦团队利用理论计算和实验相结合的方法，首次发现地球深部的含水矿物——羟基氧化铁（FeO2H）会在约75万个大气压、1500摄氏度以上时进入超离子态，而这个温度和压力范围覆盖了下地幔深部的大部分区域。相关工作近期发表于《自然—地球科学》。

水在极端高温高压条件下会进入超离子态。在地球内部高温高压环境下，氢原子能否在复杂的含水矿物晶格中自由流动而形成超离子态？

研究团队首先通过理论计算，发现在超离子态下，自由移动的氢离子会导致FeO2H的电导率在相变点突然增加。随后通过高温高压下的电导率测量，发现在100万~121万个大气压下，当FeO2Hx 被加热到1500~1700摄氏度时，其电导率增大了两倍。高温促使氢离子像自由电子一样在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，因此研究人员认为FeO2Hx 在此温度压力条件下进入了超离子态。

FeO2H是地幔深部首个被发现的超离子态含水矿物。传统认为受制于固体相的高黏性，地幔对流是很慢的，地幔内部活动通常以万年甚至百万年为单位。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，并对于地球内部的物质和能量循环产生巨大改变。（记者闫洁）