- 编者按 -

 

大约20亿年前，地球大气中的氧气含量突然增加，这一对地球生命等产生重大影响的改变被称为大氧化事件（Great Oxygenation Event, GOE）。对GOE的成因，科学家们提出了，包括蓝藻菌的光合作用在内的若干种假说，但依然不能称得上满意。

 

近年来，北京高压科学研究中心的科学家们给出了一种新的假说框架，即在地幔深处的高压作用下，水将铁氧化为二氧化铁并累积漂浮在地核和地幔的交界处，在某个时刻遭遇偶然因素的刺激，最终释放出大量氧气涌向地球表面。胡清扬和合作者们利用高压实验发表了多个重要结果，支持了这一假说，也获得了越来越多的外界关注。最近，《知识分子》走进高科中心，和胡清扬聊了聊，一探背后的发现历程以及他的 “高压” 人生。

 

撰文｜邸利会

 

责编｜刘楚

 

在孤独地生活了大概25亿年后，地球决定不再过这种无聊日子。它要在海水中、大气里，大幅增加一种成分——氧气。

 

就像绝顶的高人，看似一个简单动作，却有四两拨万斤的效果——氧气在大气中的比例由之前的千分之一跃升到今天的21%；有了氧，大部分的生命，包括我们人，有了生机；甚至天文学家要寻找适宜的系外行星，也要把空气中是否含氧作为一项重要的指标。

 

氧气的出现，让地球的面貌彻底改变，说是一次改头换面也不为过。

 

可氧气究竟从何而来？为什么会在短期内有指数式暴增？

 

这种称为 “大氧化事件” 的原因迄今并不很清楚。一种流行的说法是因为蓝藻菌的光合作用。据说这种生物在35亿年前就已存在，在它学会了利用阳光、二氧化碳和水合成有机物后，氧气作为产物就在环境中逐渐累积。

 

但这只是一种假说。还有其它更好的解释么？

 

近几年，胡清扬所在的北京高压科学研究中心（以下简称高科中心）的科学家们提出了一种新的假说。他们认为，这些大量的氧气不是来自蓝藻，或者外太空，而是源自约1800公里以下的地球深部——大概从地球一半厚度开始，直至地幔和地核的交界处，在几十亿帕的压强下，新的化学反应正在发生，新的物质正在积累，从而为大量氧气的喷发创造了条件。

 

这一想法简单、优雅，听起来引人入胜。当然，在科学上，再美妙的想法也需要有实验证据作为支持。

 

揭秘时刻

 

趁着胡清扬在上海出差的间隙，我赶紧约了他聊聊。30出头这个年纪，正处于科研的黄金期，我不想太耽误他时间。在他个人主页上，可以看到密密麻麻的行踪记录，做报告，交流研究，论文发表等等，安排的很是紧凑。

 

四年前从美国斯坦福大学回国后，胡清扬加入到了高科中心任研究员。他的实验室在北京，但上海也常来，一来，高科中心在上海有分部，不少同事在这儿；二来，上海有他做实验经常用到的大型装置，也就是赫赫有名的上海光源——这座环形的庞然大物，就矗立在高科中心的马路对面。

 

胡清扬的领域——高压研究，听起来容易让人想偏，但实际和他交谈的时候，也许是因为他脸上时常泛起的、孩童般的笑容，你丝毫不会感觉到有“压力”。

 

在向我解释大氧化事件新假说背后的实验时，他从衣兜里掏出来一个月饼样的金属盒。这就是他实验中用来产生高压的装置，和想象中的高科技装置简直是天壤之别。

 

我瞅着他托在手里的这么一个小盒子，心想，这玩意能产生几百万个大气压？

胡清扬用来模拟产生地幔深部高压的机械装置 | 拍摄/邸利会

 

“反正这个东西每次坐飞机过安检，还都得解释一下。它其实是由上下两个部分组成的，你可以从侧面这个孔看一下。” 胡清扬指着金属盒的一侧说，“中间其实是上下两颗金刚石尖对尖对顶的一个结构，我们就在顶着的尖那放一点样品，然后合起来，用四个螺栓上力就可以了，拧个几圈，压力就上去了。”

 

如此简单的一个机械装置就能产生这么大的压力，真是让人惊奇！原来，两颗金钢石对顶的尖削磨的非常之尖，直径仅剩了数百个微米。初中物理告诉我们，正是由于受力面积如此的小，才能产生巨大的压强。

 

可紧接着的问题来了，这么小的尖端上，如何装样品？

 

原来，是在光学显微镜的辅助下，用一根绣花针头手动装样。

 

在胡清扬示范后，我也尝试了一把。但在显微镜的放大下，绣花针的针头已经和铁棒差不多大小，平常大看不出来的手的微小颤动，传递到绣花针那里，其实已经是剧烈的晃动，几乎没有办法准确地把样品推到金钢石尖的圆心处。

 

“你要不一只手扶着点桌子，这样稳当些。” 胡清扬在一边打趣道。

 

虽然了解他的好意，但我心里知道，这种生理性的抖动并不是那么容易控制。现场的工程师告诉我，就这样看似简单的装样操作，也得耗费初学者几个月的时间才能掌握。

 

就是靠着如此简单的装置，胡清扬所在的团队制造了许多高压下才存在的奇特物质，比如二氧化铁（FeO2）。具体的做法是，金钢石对顶产生76亿帕高压，这差不多相当于地表下1700千米的压力，然后加入赤铁矿的成分三氧化二铁，充入氧气，再用激光加热样品到1700K（约1400摄氏度），一种超级氧化的化合物过氧化铁（FeO2）就诞生了。

 

“如果在高中化学里看见这个东西，肯定会有疑问的，但是在地球深部的高压下，就会有地球表面一个大气压下看不到的化学反应，生成新的物质。” 胡清扬解释道。

 

这种晶体结构类似二硫化亚铁（FeS2）的物质，在高压下，竟然可以很稳定地存在。嗯，看来以后，这个知识点要放到高中化学里了——铁氧化物的终极形态不再是三氧化二铁（毕竟高压下的三氧化二铁还可以进一步转化为二氧化铁（FeO2））。

 

水与铁之歌

 

不过，当胡清扬他们把发现二氧化铁的论文寄给《科学》杂志时，却遭到了拒绝。杂志反馈的意见是，这可能是有趣的化学，但没有实际意义。

 

那么，人工高压下制造出的物质，是否在地球深处真实存在呢？总不能打个2000千米的深井去看看吧，况且人类挖的最深的井也才万米，差了有两个数量级。

 

事实上，胡清扬等人进一步做实验发现，在几十亿、上百亿的高压下（相当于超过1800千米的地幔深处），水已经变成了一种非常强的氧化剂，甚至可以将铁氧化为二氧化铁。

俯冲板中的含水矿物（蓝色）携带水与铁芯反应形成富氧多层块（深棕色）。反应过程中形成多层富氧层，氢从这一系列的化学反应中逸出并上升以维持氢循环。富氧多层块横向移动并累积。一些富氧多层块（小块）被分散并与地核和地幔交界面的硅酸盐和氧化物混合。

 

这就有实际的意义了。

 

水、铁都是地球上再常见不过的物质了。我们这个星球本来就称为 “蓝色星球”，海洋占到了地球表面超过七成，而铁则是地球所有元素中按照重量来说排第一的物质。

 

可以说，在这个星球上，最不缺的就是水和铁。

 

那么，当大量的水或含水矿物通过板块运动，进入地球深部，在高压之下遇到铁，可以设想也将生成二氧化铁，而且量应该不会少。

 

二氧化铁由于其密度高于地幔矿物，但低于地核，因此很可能会漂浮、富集在地核和地幔的交界处，当累积到达临界点，而又遇到偶然因素的刺激，如小行星撞击，地球内部的运动等的影响下，将突然爆发，释放出大量的氧气到地球表面——这可能就是 “大氧化事件” 的始作俑者。

 

除了解释大氧化事件，累积的二氧化铁层块也可能是地核地幔交界面上地震波异常的来源——人们很早就知道，在地核和地幔的交界处有一些区域的地震波速很慢，一直以来没有太满意的解释。

 

“我们既然合成了二氧化铁，也想测量下它的波速，我们发现在一定的混合比例下，基本上和观测到的慢速地震波数据是完全吻合的。” 胡清扬说。

 

不仅如此，如此单一的高压机理，能用来解释的现象还有不少，比如超大陆的分和合，大火山省，生物五次大灭绝，四大冰期，大气中的氧气，甚至有氧生物的出现等等，大有一举定乾坤的气势。

 

而他们后续发表的这一系列发现，其内涵已经愈加丰富，看起来最初突破性的结果即便被 “顶刊” 拒绝，有时并不见得是坏事。

 

高压下的乐趣

 

尽管发现二氧化铁这项工作本身没有耗费太长时间，但就整个高压研究而言，胡清扬也算是个老手了，今年是第十二个年头。

 

“我一直是那种被时代推着走的人。” 胡清扬半打趣地说。

 

原来，2009年8月，胡清扬刚去美国乔治梅森大学读博时，做的是遥感大气，但因为导师的项目源自美国气象局，相关数据涉密，他因为中国公民身份无法参与。紧急之下，他临时更换了导师，才走上了高压研究的路。

 

“还好发现的早，我要是已经参与了一年半载才被迫中断，那问题就大了。我是刚去一两个星期就发现这个问题，幸亏我当时的导师及时帮我联系别的教授，最后做计算材料的生老师收留了我。挺不容易的。” 胡清扬回忆说。

从那个时候开始，胡清扬就研究高压下的铁氧化学的各种性质，只不过集中在传统的氧化亚铁。而材料学方面的研究也让他在传统化学方面有了很好的积累，为他今后从事地球化学帮助不小。

 

可到了博士毕业，胡清扬的研究之路依然存有变数。那时，他曾犹豫过是否进入工业界。

 

“我们做高压用到金刚石，我当时想可不可以卖它，当时确实有一家公司问我，有没有兴趣负责中国的业务。我记得那时第一次参加国内的高压学术大会，不是以科研人员的身份，而是以卖金刚石的销售的身份去的。当时，毛先生也来参会了，对，当时的情况就很尴尬。” 回忆起这一段，胡清扬禁不住大笑了起来。

 

他所说的毛先生，便是高科中心的创立者，美国科学院院士，著名地球物理学家毛河光。胡清扬便是追随着毛先生回了国。

 

人生就是这样，充满了种种偶然和际遇。经过几次波折，胡清扬最终还是决定继续做科研。

 

“我不是说科研一定有多好，可能是适合我这样的。我觉得科研比较单纯，比科研复杂的事情实在太多了。” 胡清扬笑着说。

 

尽管此刻的他看起来神情轻松，其实平日里做科研的压力也是存在的，比如在用同步辐射光源做实验的日子里，他跟同事通常都要连轴转，充分利用好申请好的有限机时，同时希望把样品准备的好一些，尽量避免返工。当然，当发现实验的结果和预想的一致时，内心里也会浮现出几分的喜悦和得意。多年的坚持之下，迎来的便是收获，包括他们提出的为何氧气突然激增的假说。

 

不过，话说回来，胡清扬他们所提出的假说，虽然现在已经有很好的证据支持，但离完善、成熟还有不少的距离。

 

这多少让人想起魏格纳提出的 “大陆漂移说”，在经过几十年的完善和发展后，升级后的 “板块构造理论” 已经成为了20世纪地球科学最为重要的学说。也许，随着研究的继续深入，证据的不断累积，胡清扬等人最初的这一假说框架也会不断进化，若能经受住学术界的考验，或许能成为国人提出的板块理论的2.0版。

 

谁知道呢？科学就是这样，结局难以预料，但不妨碍大胆去试。

 

（文中插图除注明外均为高科中心供图）

 

 

参考资料：

 

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2. Ho-Kwang Mao, Qingyang Hu, Liuxiang Yang, Jin Liu, Duck Young Kim, Yue Meng, Li Zhang, Vitali B Prakapenka, Wenge Yang, Wendy L Mao, When water meets iron at Earth's core–mantle boundary, National Science Review, Volume 4, Issue 6, November 2017, Pages 870–878, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx109

 

3. Hou. M., He, Y., Jang, B.G., Sun, S., Zhuang, Y., Deng, L., Tang, R., Chen, J., Ke, F., Meng, Y., Prakapenka, V.B., Chen, B., Shim, J.H., Liu, J*., Kim, D.K.*, Hu, Q.*, Pickard, C.J., Needs, R.J., Mao, H.-K., Nat. Geosci. 14, 171-178 (2021).

 

4. Liu, J., Hu, Q.*, Bi, W., Yang, L., Xiao, Y., Chow, P., Meng, Y., Prakapenka, V. B., Mao, H.-K.* and Mao, W. L.* Nat. Commun. 10, 153 (2019).

 

5. Liu, J., Hu, Q., Kim, D. Y., Wu, Z., Wang, W., Xiao, Y., Paul, C., Meng, Y., Prakapenka, V. B., Mao, H.-K. and Mao, W. L. Nature, 551, 494-497 (2017).

 

6. H.-K. Mao, Q. Hu, L. Yang, J. Liu, D. Y. Kim, Y. Meng, L. Zhang, V. B. Prakapenka, W. Yang and W. L. Mao. Natl. Sci. Rev. 4, 870-878 (2017).

 

7. S. Zhu, Q. Hu*, W. L. Mao, H.-K. Mao, H. W. Sheng. J. Am. Chem. Soc. 139, 12129-12132 (2017).

 

8. Q. Hu, D. Y. Kim, J. Liu, Y. Meng, L. Yang, D. Zhang, W. L. Mao, H.-K. Mao. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 114, 1498-1501 (2017).

 

9. Qingyang Hu, Jin Liu, Jiuhua Chen, Bingmin Yan, Yue Meng, Vitali B Prakapenka, Wendy L Mao, Ho-Kwang Mao, Mineralogy of the deep lower mantle in the presence of H2O, National Science Review, Volume 8, Issue 4, April 2021, nwaa098, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa098