當俯沖帶攜帶含水礦物深入地幔時，可能會使地球的鐵外核生銹，形成巨大的氧匯之后，氧氣會回到大氣中

地球表面的鐵，無論是簡單的鐵釘還是堅固的大梁，在潮濕的空氣或含氧的水中，都會逐漸發(fā)生氧化反應(yīng)這種反應(yīng)的紅棕色產(chǎn)物是鐵銹，它可以由各種形式的水合氧化鐵和氧化鐵氫氧化物組成在美國西南部干旱氣候區(qū)和許多其他地方發(fā)現(xiàn)的紅色巖石屬于同一種氧化鐵礦物——赤鐵礦，在潮濕的環(huán)境中，像赤鐵礦這樣的鐵礦石會風(fēng)化成針鐵礦，這是鐵的基本氧化物

美國亞利桑那州紀念碑谷的貓頭鷹巖這種巖石的紅色來自氧化鐵礦物最近的實驗表明，鐵氧化物也可能在地球表面下形成，甚至深達地核和下地幔的交界處

在地球深處，確切地說是地表以下2900公里處，大量的熔融鐵形成了地球的外核那么，外核也會生銹嗎

最近，科學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn)，當鐵在接近一百萬個大氣壓的壓力下遇到水——以水或含有氫氧基的礦物的形式——時，會形成過氧化鐵或高壓形式的氧化鐵——氫氧化鐵，其結(jié)構(gòu)與黃鐵礦相同換句話說，這些實驗中的氧化反應(yīng)確實會形成高壓銹

如果在外核和地幔的交界處確實存在鐵銹，科學(xué)家們可能有必要更新他們對地球內(nèi)部及其歷史的看法這些鐵銹可以揭示下地幔深水環(huán)流和超低速度帶的神秘起源超低速度帶是地球流體核心之上的一個小而薄的層，在這里地震波速度顯著降低這些鐵銹也可以解釋大氧化事件和新元古代氧化事件前者標志著地球富氧大氣的開始，發(fā)生在約25億至23億年前，后者發(fā)生在10億年至5.4億年前，使大氣中的游離氧達到現(xiàn)在的水平

但是我們怎么知道古騰堡界面是否生銹了呢。

地球表面的紅色巖石主要來自氧化的赤鐵礦和針鐵礦地球表面2900公里以下的核幔邊界可能存在的鐵銹沉積物，可能是由具有黃鐵礦樣結(jié)構(gòu)的氧化鐵—氫氧化鐵礦物組成這種鐵銹可以解釋地震數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的超低速度帶超低速度區(qū)的檢測門限反映了當前地震剖面掃描的分辨率

核幔界面的地震特征

雖然現(xiàn)在還不能在古騰堡界面下開采礦物，但我們可以用其他方法來探測它們?nèi)绻睾藭殡S著時間生銹，那么古騰堡界面上可能已經(jīng)堆積了一層鐵銹，可以顯示出一些地震特征

實驗室研究表明，地核的氧化鐵—氫氧化鐵銹可能導(dǎo)致穿過它的橫波和縱波速度顯著降低，就像超低速區(qū)的巖石一樣事實上，與初步參考地球模型中作為深度函數(shù)的平均地震波速度相比，巖心銹蝕可使橫波速度和縱波速度分別降低44%和23%如果核心鐵銹的厚度超過3到5公里，巨大的地震波減速會使其在地震層析成像中被識別出來

難點在于區(qū)分超低速區(qū)的地震異常是巖心銹蝕還是其他原因造成的比如一般認為下地幔底部的部分熔融是造成超低速度區(qū)的原因，這也可能導(dǎo)致類似地核生銹導(dǎo)致的地震波速度降低

理論上，科學(xué)家應(yīng)該可以使用地震層析成像來區(qū)分古騰堡界面的核心生銹和部分熔化地震掃描通常由數(shù)學(xué)反演過程產(chǎn)生，將計算的地震波形與觀測波形相匹配反演過程需要確定可能的數(shù)學(xué)解來擬合數(shù)據(jù)，然后根據(jù)其他考慮從這些解中選擇最佳解

每一種可能的數(shù)學(xué)解都對應(yīng)著一組與所涉及材料的物理性質(zhì)有關(guān)，但又有明顯差異的模型參數(shù)，如銹材料的橫波，縱波，密度的相對差異，材料周圍地幔的平均值等。

不同材料的地震波速度比范圍

鐵銹起源的證據(jù)

到目前為止，地震學(xué)家已經(jīng)對古騰堡界面的60%進行了采樣，以尋找超低速區(qū)，并確定了近50個地震波的異常位置，占古騰堡界面面積的20%，這可能代表了超低速區(qū)這些區(qū)域大多與地幔底部大而低的剪切速率區(qū)相耦合，δlnVs:δlnVp比值約為3:1，表明存在部分熔融

但也有部分位于太平洋下的LLSVP邊緣或外側(cè)，最佳擬合比例約為2:1例如，指示黃鐵礦型FeOOHx存在的δLNVS:δLNVP比值已在太平洋LLSVP北部邊界的一個超低速區(qū)和墨西哥北部以下的一組超低速區(qū)被探測到

這些超低速區(qū)的一個共同特點是，它們位于古騰堡界面上相對較低的溫度區(qū)，比LLSVP中的平均溫度低幾百開爾文低溫表明這些區(qū)域不是由熔融機制產(chǎn)生的值得注意的是，科學(xué)家已經(jīng)確定墨西哥北部以下的區(qū)域由大約2億年前沉積在北美和中美洲西部的深俯沖遺跡組成，這表明俯沖板塊釋放的水可能已經(jīng)生銹了古騰堡界面的外核

地心生銹的后果

科學(xué)家認為，地球下地幔的主要礦物板鈦礦幾乎沒有儲水能力可是，地球核心的鐵銹可能會在古騰堡界面形成一個大容量的水庫——FeoohX鐵銹可能含有約7%重量的水因為平均來說地核的鐵銹比地幔重，這個水庫將傾向于停留在古騰堡界面因此，理論上，水可以被運輸和儲存在地核之外，至少直到地幔對流將這些水從俯沖板塊遺跡附近較冷的區(qū)域帶走，使其變得熱不穩(wěn)定

這些核心附近的水是否以及何時會循環(huán)回到地表，很大程度上取決于核心鐵銹的熱穩(wěn)定性在實驗工作的基礎(chǔ)上，有科學(xué)家聲稱FeOOHx在古騰堡界面壓力下所能承受的最高溫度約為2400K可是，其他科學(xué)家觀察到，在類似的壓力下，F(xiàn)eOOHx可以在3100到3300K的溫度下存在但無論FeOOHx能承受的最高溫度是多少，當局部的核銹伴隨著地幔對流遷移到古騰堡界面較熱的區(qū)域時，很可能分解成赤鐵礦，水和氧氣這一過程為地球大氣的氧化歷史提供了一種可能的解釋

地質(zhì)，同位素和化學(xué)證據(jù)表明，在太古代，地球大氣的大部分或全部處于缺氧狀態(tài)太古代之后，大約24億年前，大氧化事件期間，分子氧首次進入大氣大氣含氧量的第二次主要上升期是新元古代氧化事件，發(fā)生在大約7.5億年前，使其濃度接近今天的水平

科學(xué)家們?nèi)匀徊淮_定這些氧化事件背后的原因大氧化事件的一個可能解釋是藍藻的出現(xiàn)，藍藻是植物光合作用的早期先驅(qū)新元古代氧化事件發(fā)生在近20億年后，這歸因于海洋光合作用和光周期的快速增加

可是，這些解釋遠非完美例如，除了大氧化事件與地球上藍藻出現(xiàn)時間不匹配外，多項研究表明，大氣中的氧氣在大氧化事件開始時大量增加，然后急劇下降到較低水平，持續(xù)了數(shù)百萬年到目前為止，基于藍藻光合作用的解釋還沒有令人信服的證據(jù)

此外，雖然科學(xué)家普遍認為，與新元古代氧化事件相比，大氧化事件期間大氣中的氧濃度只是略有增加，但在實驗室研究中，通過分析光周期對光合群落和化學(xué)合成群落存在競爭關(guān)系的微生物墊凈氧輸出的影響，他們得到了一個矛盾的結(jié)果在新元古代氧化事件期間，更長的日照并沒有導(dǎo)致這些微生物墊產(chǎn)生更多的氧氣，實驗表明，在新元古代氧化事件期間，日長增加引起的氧氣增加可能只有大氧化事件期間的一半

因此，藍藻和光周期長度的變化不能為大氧化事件或新元古代氧化事件期間大氣氧含量的增加提供完整或一致的解釋，我們也不能排除這些事件起源的其他機制。

當攜帶含水礦物的俯沖板塊與外核相遇時，就可能形成核銹在地幔對流的作用下，從低溫區(qū)流出的鐵銹會沿著核幔邊界遷移到地幔柱根部較熱的區(qū)域，在那里變得不穩(wěn)定，分解成赤鐵礦，水和氧氣

俯沖，遷移，對流，噴發(fā)

幾十年來，研究人員一直無法找到確鑿的證據(jù)來證明地球板塊構(gòu)造是何時開始的可是，最近的一些研究表明，33億年前，俯沖開始將含水礦物帶入地幔深處實驗表明，俯沖板塊中的含水礦物可以將水一路運送到古騰堡界面如果是這樣的話，第一塊古老的巖板可能在接觸到地核的時候就生銹了核心鐵銹可能在古騰堡界面逐漸積累，從而形成一個超低速度區(qū)在地幔對流的驅(qū)動下，這堆鐵銹從熔融外核頂部的冷俯沖區(qū)遷移出來，開始逐漸升溫當它到達地幔柱扎根的較熱區(qū)域時，它可能會變得非常不穩(wěn)定

就像典型的火山爆發(fā)是間歇性發(fā)生的一樣，溫度驅(qū)動的核心鐵銹分解可能會導(dǎo)致表面氧氣的間歇性爆炸與藍藻光合作用逐漸增加的氧氣相比，這種爆炸釋放氧氣的速度可能要比地表環(huán)境的反應(yīng)和消耗快得多，導(dǎo)致大氣含氧量先是迅速上升，然后又有所下降

與地表巖漿噴發(fā)的持續(xù)時間相比，大銹堆的堆積及其向熱分解場所的遷移可能需要更長的時間事實上，一些形成的銹堆可能還沒有達到足以引起分解的溫度，周圍深部地幔的負浮力將它們保持在古騰堡界面下地質(zhì)記錄顯示，直到32億年前，地球表面完全被海洋覆蓋水從地球表面的凈移除及其以核銹的形式儲存在地幔深處可能有助于太古代大陸的出現(xiàn)，盡管板塊構(gòu)造驅(qū)動的表面和地形的變化以及浮力大陸的增長也對此有所貢獻

潛在的范式轉(zhuǎn)變

地球表面的鐵都會生銹，大家都看得到，但遺憾的是，沒有人能直接證明地球表面2900公里以下的液態(tài)鐵核會有類似的生銹現(xiàn)象但不斷的研究將有助于消除各種不確定性，解答一些關(guān)鍵問題，如核心銹蝕是否與大氧化事件，新元古代氧化事件有關(guān)

特別是，我們需要更多的實驗室實驗來準確確定芯銹在古騰堡界面與鐵水達到平衡時的熱穩(wěn)定性和成分穩(wěn)定性極限比如我們需要研究高壓高溫下的芯銹和鐵水的平衡其他研究可以測試鐵銹在高壓下的熱穩(wěn)定性這些實驗具有挑戰(zhàn)性，但就激光加熱金剛石在砧上的實驗?zāi)芰Χ?，是可行?/p>

此外，我們需要做額外的工作來確定何時開始俯沖，尤其是濕俯沖何時開始，即含水礦物將被帶入地球內(nèi)部深處地球化學(xué)證據(jù)表明，濕俯沖直到22.5億年前才開始，而不是33億年前這么晚才開始的濕俯沖可能會挑戰(zhàn)核心生銹是大氧化事件起源的假設(shè)

此外，地幔對流是否涉及分層環(huán)流，全地幔環(huán)流或兩者的某種混合形式仍有待澄清如果地幔盛行分層環(huán)流，俯沖板塊將無法進入下地幔因此，無論是整個地幔還是混合對流，俯沖板塊及其攜帶的含水礦物必須存在才能到達古騰堡界面，導(dǎo)致外核潛在的生銹

如果能拼湊出一個完整的拼圖，那么外核的鐵銹很可能確實是地球上一個巨大的內(nèi)部氧氣發(fā)生器——也許下一次大規(guī)模的大氣氧化事件即將發(fā)生這種事件可能會引起各種問題，包括對未來環(huán)境，氣候和可居住性的影響從短期來看，確認地球外核生銹將改變我們對地球深部的認識，并預(yù)測地球深部將如何從根本上影響地球表面的環(huán)境和生命活動