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海洋是烧出来的?干石头遇上千度氢气,科学家竟这样造出了水和铁

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地球的水,可能有一部分是自己“做”出来的。新墨西哥大学团队让干燥岩石在高温氢气中反应,得到了水和金属铁。但造出水只是半个问题:水从哪来,剩下的岩石又会变成什么?



早期地球卵石雨的AI示意,非实拍。图:新墨西哥大学。

水里的氧,原先在石头中

通常说起水从哪里来,我们会想到彗星的冰,或含水的小行星。这项研究换了一个问题:如果送来的是干石头,水还能不能在地球形成时就被制造出来?

作者设想,年轻地球捕获了一层富含氢气的原始大气。毫米到厘米大小的岩石颗粒向下沉降,在炽热环境中熔化,里面的氧化铁便有机会与氢气反应。

氢拿走原先与铁结合的氧,组成水;铁则以金属形式留下。原子换了搭档,并没有凭空冒出一片海。这里的“干”,只表示岩石本来缺水,不表示它不含氧。

这也说明,仅仅把石头烧热还不够。岩石提供氧,周围气体必须提供氢;温度、反应时间及气体条件,都影响它能生成多少水。

团队把硅酸盐样品加热到约1200至1400℃,持续15分钟到3小时。部分实验中,接近80%的氧化铁转化为金属铁,同时产生水蒸气。这个80%的分母是氧化铁,并不是整块岩石八成都变成了水。



原论文补充图S3:加热与集水装置。图:Garai等。

但岩石本身若残留少量水,加热也会放出来。怎样确认收集到的是反应新生成的水,而不是原来藏着的水?

作者先在氦气流中加热样品,制成无水玻璃,再让它与氢气反应。氦气阶段没有出现同样的铁还原;换成氢气后,金属铁和水才同时出现。较大样品实验用冷阱捕集水,直接定量;较小样品则通过反应前后的氧化铁变化估算产水。原料先脱水,气体又作对照,才能把释放旧水与反应造水区分开。

造水时,还留下了另一条线索

显微图上,金属产物有的圆润如珠,有的带着棱角。它们说明样品里的铁确实改变了存在形式;这些亮点不是被拍到的水滴。



左为圆形金属颗粒,右为铁晶体;不是水滴。图:Garai等。

更有意思的是,生成的金属会富集磷。如果这些金属后来与硅酸盐分离、进入地核,就会把一部分铁和磷从地幔带走。于是,同一个反应既能造水,也可能帮助解释地幔为什么相对缺铁、缺磷。

这条路线必须同时过两关:产水够不够,剩下的铁镁比例与磷含量对不对。若只把理论产水量往大里算,却造出不符合地球的地幔,就谈不上解释海洋起源。

不过,实验产水量与今天留下的海水量仍隔着一段历史。水可能进入岩浆,也可能在大气演化中损失;还得知道当年有多少颗粒经历了这种反应。能在实验室造水,还不能确定它贡献了地球多少水,更不能排除外来含水物质的补充。

这项9月24日发表于《自然·地球科学》的研究,把寻找海洋原料的目光,从遥远冰块拉回了地球的岩石和大气。

你觉得最出乎意料的,是干石头也能造水,还是造水时竟会同时生成金属铁?再极端点是不是还能再造出其他金属?

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