【CC讲坛】胡清扬：高压下的魔法，“地球大氧化”时代，中国科学家的新假说

这位年轻的学者提出地球历史上的“大氧化事件”成因的新假说：源自地球深部大尺度下的二氧化铁的生成、聚集和爆发。如果是这样，那未来下一次地球氧气浓度上升，到底是新生还是灾难？

我是研究水的，我的名字里就是有“清扬”，它的谐音就是“氢氧”，所以我研究水有那么一点点上天注定的感觉。

首先我是研究地球深部水的，再具体一点是研究地球下地幔的水，再具体一点是指研究距离地球1700千米，到地核地幔边界这个区间之内的水。

我想跟大家分享的是地球深部，它可以比作是一个巨大的化学实验室。跟水，它有很多的化学反应会发生，有一些是我们之前想不到甚至不敢去想的。

研究（地球）深部的水为什么重要呢？我就以2018年的一则报道作为引子。

华盛顿大学，他们对马里亚纳海沟上面的地震波进行了一个分析。他们发现每年有大量的水会吸入到地球的内部。注意他们这边使用了“吸入”这个动词，指代的就是，这些水进入到地球的深部，却不知道水最终的去向是哪里？

现在最新的一些观点认为，每年有上亿吨的水会进入到地球的地幔，总量听起来应该很多，但是我打一个比喻，一个太平洋有730万亿吨的水，如果我们将进入地球深部的水，跟我们地球表面的水的总量相比的话，它还是一个很小的一部分。当然大家别忘了，地球的年龄可是以数十亿年为单位去计算的，两者相乘的话，其实还是一个比较可观的数字。

所以说如果一直有水进入到地球的深部，但是没有水从地球深部出来，带来一个问题就是：地球会逐渐变成一个干涸的行星。

但是比较幸运的是，我们至今没有发现地球有任何水会大面积枯竭的这种现象，为什么呢？就是因为地球深部，确实存在这么一个宏大的水循环，并且它正在影响我们现在每天的生命。

我们要解释地球深部的水，怎么从深部返回到地面，就必须介绍我们第二个主角：就是铁。

铁是地球里面按重量去比较，它是含量最高的这么一个元素。

大家应该都吃过这种巧克力球，我们将地球比作一个巧克力的话，里面这颗果仁就像是一个地核，它基本上都是由铁来组成的，外面这层巧克力可以比作是地幔，最外面是一层薄薄的地壳。

如果水进入到地球内部，和铁相遇的时候会发生什么样的反应呢？大家可能自然而然就会想到是否会发生生锈？因为生锈我们在日常生活中都很熟悉，它就是水遇上了铁，然后在空气的作用下，表面会生成一层铁氧化物。

当水进入到地球深部遇到铁，会发生怎么样的化学作用？

研究这个话题 大家可能首先想到的是，我们是不是应该打一口很深的井，然后钻到地球的内部，取一些样品出来，然后做一些分析？

但其实最深的这样一种井也只有10多千米，尚不及地球的皮毛；但实际上我们还可以利用一些比如说火山过程，从地球内部有一些所谓的包裹体从地球深部出来，这些样品就封印在钻石里边，称之为金刚石包裹体，但这样的样品，最深也就是几百千米的水平，差不多最深是到了下地幔的上部，还是没有办法覆盖整个地幔。

我们在实验室就换了一种思路，我们打磨了一对金刚石，然后把它打磨成一个锥形，在它的中间放上样品，然后两边用力，这样就能使这颗细小的样品上面产生很大的压力，这样的样品可以覆盖整个地幔的压力范围，甚至可以做一些地核的科学工作。

这是我们实验的一个场景图，大家可以看到这是一对金刚石，今天我就特意带了这么一个装置过来。我手中这个东西就是金刚石压砧，而且它不是一个模型，它就是这么小巧，可以从我的口袋里直接拿出来。

大家可能会问它是不是很危险，因为它压力很大。但实际上因为压力都是集中在很小的一点样品上面，所以最不济的情况也就是金刚石有一些错位，然后金刚石报废掉了，但实际上它是十分安全的。

大家可能比较好奇这个装置到底贵不贵？我就打一个不太恰当的比喻，我们一年使用这个钻石的价格，可能还不及我们单位周围一平米的房价。

只要在这个样品上施加足够的压力，铁和水就可以发生一些独特的化学反应。

之前提到了铁锈的主要成分是铁氧化物，那在常压下面，其实有三种最主要的铁氧化物。

这个红色的叫做三氧化二铁；然后黑色的是磁铁矿，主要成分是四氧化三铁；最右边这个是叫磷铁矿，主要成分是氧化亚铁。

但是在地球内部，铁、氧之间的化学键会发生一些质的变化，它就会出现一些新的铁氧化物，比如说我们要提到的二氧化铁。它就是在地球深部才能稳定存在的这么一种铁氧化物。那二氧化铁是怎么在地球深部被发现的呢？

这就必须使用到我们之前提到的这个金刚石压砧了。左边这个图里面就是铁和水的样品，然后我们将这个样品加压到70万个大气压，然后使用激光对它进行加热，以此来模拟地球深部1700千米的，这么一种温度和压力的环境，然后我们就通过一些表征手段，发现里面生成了二氧化铁。

二氧化铁，它的特点就是氧比较多，我们可以想象是把一些额外的氧气打到了氧化铁里边，然后它也是一种只在高压下才能稳定的，如果我们把压力撤去了，它又会重新变成三氧化二铁，并且释放出氧气。

我们当时合成了这个二氧化铁是相当兴奋的，基本上就是在一周之内把整个文章都写好了，为什么呢？是因为二氧化铁是我们想要提出这个假说的最关键的这么一种成分。

我们假说的名字就叫做“深部造氧说”。这张图片里面我们例举了一些化学反应方程式，传统的观点认为地球深部有一个水循环，但是水循环最简单的单位应该就是水，无论是吸水也好，脱水也好，这个水不会自动分解成氢气和氧气。

我们的假说——深部造氧说认为，在1700千米深度以下，水可以发生分解，在铁的帮助下，氧跟铁结合生成二氧化铁，然后氢气就跑掉了。所以说这两套理论，它是有一定的差别在这里，我们怎么去应用这套理论呢？

我们就给地球切一个剖面，然后看一下水在地球的深部是怎么去参与并且完成这个循环的。因为在1700千米以下，水可以分成氢和氧，所以我们可以分成两个部分去讨论它。

其中氧跟铁结合在一起变成了二氧化铁，我们可以将二氧化铁作为一个比较具有代表性的矿物，我们叫它是一个富氧相，它相当于是地球深部的储存氧气的仓库，它在1700千米以下的时候可以稳定存在，但是它一旦进入浅部才会发生分解，所以它只要是保存在那个深度就可以一直地积累，然后可以牢牢地吸住氧气；

那么氢呢？氢可以在矿物里面自由地扩散运动，在物理学家，他们称之为是“超离子态”的一种状态，这也是在高温高压下会有的一种特殊的状态，它就像是一块海绵，吸收了很多液体氢，乍看之下，这块海绵还是固体，但是只要我们一挤，里面的液体氢就会出来，但是因为氢，它本身的比重比较小，所以它是会上升的，上升的过程中会跟其它的矿物重新结合生成水。

这里我们特别要注意一下，这个结合的过程不是说游离的氢跟游离的氧发生了重新的结合，而是通过一些复杂的化学作用，有一些氧化还原的作用，使得氢和氧重新结合起来，比如说它会生成一些碳氢化合物，这些碳氢化合物就是一些有机物的雏形，最后剩下的一些氢会通过火山作用直接被排除到大气里边。

这就是我们通过深部造氧说描绘的水在地球的整一个旅程。

大家可能会问：二氧化铁在地球深部慢慢地积累下去，它到临界点的时候是否会发生一些变化？

我举一个例子大家可以参考一下。1986年的时候，喀麦隆有一个叫做尼奥斯湖的地方，发生了一次湖底的喷发，它将大量的二氧化碳气体喷发出来。因为二氧化碳气体的比重比空气重，所以当二氧化碳气体又降落下来的时候，它就会淹没到附近的村庄，然后排出周围的空气，最终造成几千人的窒息死亡。

虽然这场灾难具体的成因还有一些争议，但是有一点是可以肯定的，就是二氧化碳在尼奥斯湖湖底已经积累到了一个临界值，最终导致它的喷发。

那二氧化铁它在地球深部，积累到临界值也会发生爆发，就会让这些二氧化铁从深部进入到浅部，发生分解，释放出氧气。

在地球整个几十亿年历史上，确实存在这么一些特殊的时期，氧气的浓度会上升，我们称之为“大氧化事件”。

这个图的右边这一侧，我就将氧气的含量跟地球的纪年做了一个图，我们发现其实在整个历史上有这么几个特殊时期，氧气经历了从无到有，从低含量到高含量的这么一个过程。

解释大氧化事件，其实有很多的学说，比如说现在最流行的是“蓝藻菌的产氧机制”。

蓝藻菌，它是可以产生很大量的氧气，而且也经过了这么多年的研究，我想它的大方向应该是没有错误的，但是蓝藻菌可以解释所有关于大氧化事件的问题吗？其实大氧化事件它经历的时间，如果跟地球整个历史时期相比的话，应该是比较短暂的，可以说是一些突发性的事件，最早的蓝藻菌应该诞生于三十三亿年前，而这距离第一次大氧化事件还差了十亿年。

氧气浓度突然上升，它本身就应该是一个谜团，这边我就斗胆将我们提出的“深部造氧说”跟“蓝藻菌的产氧机制”都列在一张图上面。

我们“深部造氧说”，它其实核心就是二氧化铁代表的这种富氧相在地球深部的积累，到达临界点之后发生突然的爆发，它的特点就： 它是一种间歇性的、骤发的这么一种过程；

而形成鲜明对比的是“蓝藻菌的产氧机制”，它是一种持续性的、稳定的；

而我们的“深部造氧说”，它还有一个特点，它可以分析过往氧气波动的频率，还可以预测下一次氧气波动的时间。因为地球深部储氧的仓库的大小其实是一定的，如果几百年后再次出现了这种氧气波动，会带来什么呢？

我们就不妨回顾一下历史吧。第一次的大氧化事件诞生了有氧生物，第二次的新生代的增氧事件发生在6—7亿年前，它使得高级生物在地球上产生了，随后地球发生了差不多现在认为应该是有五次的生物大灭绝。

每一次的生物大灭绝，都会使得一半以上，甚至绝大部分的生物灭亡。但是比较凑巧的是，每一次生物的灭绝，都和氧气的突然上升或者下降有关。如果我们算一下上一次生物大灭绝是6600万年前，按照这个频率的话，那下一次的氧气波动可能就不太远了。

下一次的氧气波动会造成怎么样的情况，是否会使地球上的生命来一次重新的洗牌，人类是否会重蹈恐龙的覆辙？这些问题希望大家可以回去考虑。

其实我特别想说一点是，我们提出的理论还属于一个假说。假说的本质是，它还需要很多的实验、很多的数据去支持。

我们当年，2016年完成这个工作的时候，首先投稿。投稿我们首先想到的是投稿《科学》杂志，结果马上就被拒稿了。

但其实转念一想，如果我们想的东西跟之前的传统理论完全一样，很对这些传统编辑也好、审稿人也好，对他们的胃口的话，这样的工作其实它的重要性也就没有这么大，但这也是激励我们去做更多的工作，然后慢慢地将我们的假说完善起来。

从2016年起到2021年，我们的工作都一直在进行着，被《科学》拒稿之后，我们转投了《自然》马上就被接收了。

所以就开始吸引一些人去重复我们的工作，至今为止已经经历了差不多有五个年头，然后我们也解决了一些比较有挑战性的项目。

比如说我们后来发现了，这个二氧化铁里面可以包含有少量的氢，然后我们对二氧化铁做了一些化学分析，发现里面的铁其实是一个正二价等等，这样的东西我们到现在一直是在努力去完善它。

我想特别感谢一下我的导师毛河光先生，已经年近八十了，但是还是活跃在科研的第一线。他也是整个高压科学的泰山北斗。

我还想特别感谢一下日本爱媛大学的西真之教授。我们当时发布工作的时候，西真之教授就对我们的工作提出了严厉的批评。他觉得我们的结果应该是错误的，因为在他们看来水应该是最小的单位，不管深度是如何，它绝对不会发生分解，变成氢气和氧气。

正是因为有了西真之教授的激励也好、鞭策也好，我们不得不在很短的时间之内，去回答他提出的很多问题，而且很多问题都很棘手。

但是正因为如此，而且引起了大家的关注，很多的研究小组就开始来重复我们的工作，然后也重复成功了。最近几年我们也开始修正自己的一些理论，加入了一些更具包容性的内容。

到现在我们确确实实地感受到西真之教授在他的文章里面的态度已经逐渐软化，甚至最近的文章已经跟我们的观点，几乎是比较相近甚至一致了，这也是我们提出“深部造氧说”之后感到比较欣慰的一点。

其实深部造氧说不仅是可以解释地球内部的一些事情，它也可以应用到行星里面，比如说火星。

我们知道水是生命可以存在的很重要的一个因素，如果我们把地球上的一些水转移到火星，或者是在火星的内部发现很多的冰，然后通过一些改造是否可以将火星变成下一个地球呢？

很可惜，如果是基于我们深部造氧说来说，这是不太容易做到的。因为火星，它的半径差不多是地球的一半，所以它不应该存在像地球一样的这种深部的水循环，它的深度不够，所以水无法分解成为氢气和氧气，无论经过多长的时间，它都没有办法形成二氧化铁，然后喷发到火星表面，形成这种富氧的大气。

但是我们也不要小看人类的好奇心，其实科学本身是一个比较开放的一种话题，很多东西都是在探索中前进的。

从历史的角度看，从地心说到日心说，然后后面还有费米悖论、板块学说等等，这些假说一开始提出来，都是一些假说，都是经过很长时间的论证才真正被大家认可的；

但是还是存在着一些当时是风行一时，但是最终却销声匿迹的假设，比如说五、六十年代，稳态理论和大爆炸理论是齐名的——关于解释宇宙起源的这么两种理论，直到宇宙背景辐射的提出和验证，大爆炸理论才进入主流；

而四年前又有人提出一种新的假说，叫做弹跳宇宙模型，说不定经过几十年，可能会比大爆炸理论更好，成为大爆炸理论2.0也说不定。

其实科学就是在证实和证伪的螺旋中前进的，大部分的工作其实都是默默无闻的，甚至是鲜为人知的，我希望我们的假说可以成为大家的垫脚石。

科学是可以没有国界的，但是科学家是有国籍的，希望我们今天的工作可以成就中国某位天才的宏大理论。

谢谢大家！