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

　　主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第44期演讲于2021年8月28日在北京以在线直播方式举行。来自北京高压科学研究中心2020年度“科学探索奖”获得者胡清扬研究员出席并以《高压下的魔法，“地球大氧化”时代，中国科学家的新假说》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　大家好，我是研究水的。如果大家看一下水分子，它其实是由1个氧原子加上2个氢原子组成。那么我的名字里刚才提到了有清扬，它的谐音就是“氢氧”，所以我研究水，好像有那么一点点上天注定的感觉。

　　其实研究水，它的方向有很多，我想给我自己的研究加一些定语。首先我是研究地球深部水，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。其实大家可能会对1700千米有疑问，这也是接下来我将要给大家讲的内容的一个重点。

　　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，跟水它有很多新的化学反应会发生，有一些是我们之前想不到甚至是不敢去想的。

　　研究（地球）深部的水为什么重要，我就以2018年的一则报道作为引子。它是华盛顿大学对马里亚纳海沟的地震波进行了一个分析，他们发现每年有大量的水会进入到地球的内部，注意他们使用了“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。

　　实际上有很多科学家研究小组去研究每年到底有多少水会进入到地球内部。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地球表面的水的质量相比的话，它还是一个很小的一部分，但是大家别忘了地球的年龄可是以数10亿年为单位去计算的，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大面积枯竭的这种现象，为什么？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比较，含量最高的一个元素。

　　大家应该都吃过巧克力球，我们将地球比作一个巧克力的话，那里面这颗果仁就像是地核，它基本上都是由铁来组成的，外面的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，遇到铁会发生什么样的化学作用？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；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，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，今天我特意带了这个装置过来，大家可以看我手中这个就是金刚石压针，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，因为它压力很大嘛？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说金刚石会有一些错位，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。虽然东西比较经济实惠，但是它可以做的东西有很多，只要在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，在常压下面其实有三种最主要的铁氧化物，大家应该都比较熟悉，红色的叫做三氧化二铁；黑色的是磁铁矿，主要成分是四氧化三铁；如果大家还记得一些初中的化学知识，应该可能还记得最右边是叫磷铁矿，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一种铁氧化物。

　　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金刚石压针了。左边这个图就是铁和水的样品，然后我们将样品加压到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生成了二氧化铁。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。它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。

　　我们当时合成了二氧化铁是相当兴奋的，基本上在一周之内把整个文章都写好了，为什么？是因为二氧化铁是我们想要提出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，大家看着就行，我们直接看结论：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，水不会自动分解成氢气和氧气。我们“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。

　　所以说这两套理论是有一定的差别在这里，我们怎么去应用这套理论？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，其中的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项，它相当于是地球深部的这种储存氧气的仓库，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深部就可以一直在积累，然后可以牢牢的吸住氧气。

　　那么氢呢？氢可以在矿物里面自由地扩散运动，物理学家称之为这是一种叫做“超离子态”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，上升过程中会跟其他的矿物重新结合生成水。

　　这里我们特别要注意一下，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。这个时候我可以举一些例子，比如说它会生成一些碳氢化合物，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。

　　我们的故事说完了吗？其实还不是，大家可能会问，二氧化铁在地球深部慢慢的积累下去，到临界点的时候会怎么样？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，因为二氧化碳气体它的比重要比空气重，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，最终可以造成几千人的窒息死亡。

　　虽然这场灾难它的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底已经积累到了一个临界值，最终导致它的喷发。

　　二氧化二铁在地球深部积累到临界值也会发生爆发，那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。

　　那释放出氧气会带来什么？在历史上，在地球几十亿年历史上，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”。

　　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？

　　我想说的是，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。最早的蓝藻就应该诞生于33亿年前，而这距离第一次大氧化事件还差了10亿年。

　　氧气浓度突然上升，它本身就应该是一个谜团。我就斗胆将我们提出的“深部造氧说”跟“蓝藻菌的产氧机制”都列在了一张图上面。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，在地球深部的积累，到达临界点之后发生突然的爆发。它的特点就是一种间歇性的、骤发的一种过程；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？我们就不妨回顾一下历史。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的，应该是有五次的生物大灭绝，那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。其实这是一件比较有趣的事情，因为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，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，这边就不再叙述了，我们换一个话题，不讨论这么沉重的了。

　　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2016年完成工作的时候，我们首先想到是投稿《科学》杂志，因为当时和《科学》的编辑有过一面之缘，他给我的印象就是带着一个大耳环，还有鼻环，而且他是一个男性，所以我们当时觉得他应该是一个比较乐于接受新鲜事物的人，

　　但实际上当我们投稿的时候发现其实我们错了，以貌取人了，马上就被拒稿了。

　　但是其实转念一想，如果我们想的东西，跟之前的传统理论完全一样，就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》，当时也比较幸运马上就被接收了，所以就开始吸引一些人去重复我们的工作。

　　到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很多我们之前觉得不太有把握、比较有挑战性的项目，比如说我们后来发现了二氧化铁里面还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。

　　在这里我想特别感谢一下我的导师毛和光先生，已经年近八十了，但是还是活跃在科研的第一线，它也是整个高压科学的泰山北斗。这是我们当年2016年在开“地球科学年会”的时候拍摄的，当时毛先生已经七十多岁了，头发还是乌黑的，这点我们都十分羡慕。

　　除了我导师毛先生以外，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，就不管深度是如何，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。

　　所以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、甚至是一致的，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？

　　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。所以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，然后还有费米悖论、板块学说等等，这些假说一开始提出来，就像我刚才提到，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险意识，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，直到了宇宙背景辐射的验证提出和验证，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，它的结果可能会比大爆炸理论更好，成为大爆炸理论的2.0也说不定。

　　最后我想跟大家分享一下，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，甚至是显为人知的，就像今天，特别感谢CC讲坛这个平台，如果没有CC讲坛的话，大家肯定就不知道，水在地球这么深的地方会发生这种奇特的化学反应。

　　我希望我们的假说可以成为大家的垫脚石。套用一句现在流行的话：科学是可以没有国界，但是科学家是有国籍的。希望我们今天的工作可以成为中国某位天才的宏大理论。谢谢大家。

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责任编辑：邓健