【CC講壇】胡清揚：高壓下的魔法，“地球大氧化”時代，中國科學家的新假説_風聞

這位年輕的學者提出地球歷史上的“大氧化事件”成因的新假説：源自地球深部大尺度下的二氧化鐵的生成、聚集和爆發。如果是這樣，那未來下一次地球氧氣濃度上升，到底是新生還是災難？

我是研究水的，我的名字裏就是有“清揚”，它的諧音就是“氫氧”，所以我研究水有那麼一點點上天註定的感覺。

首先我是研究地球深部水的，再具體一點是研究地球下地幔的水，再具體一點是指研究距離地球1700千米，到地核地幔邊界這個區間之內的水。

我想跟大家分享的是地球深部，它可以比作是一個巨大的化學實驗室。跟水，它有很多的化學反應會發生，有一些是我們之前想不到甚至不敢去想的。

研究（地球）深部的水為什麼重要呢？我就以2018年的一則報道作為引子。

華盛頓大學，他們對馬裏亞納海溝上面的地震波進行了一個分析。他們發現每年有大量的水會吸入到地球的內部。注意他們這邊使用了“吸入”這個動詞，指代的就是，這些水進入到地球的深部，卻不知道水最終的去向是哪裏？

現在最新的一些觀點認為，每年有上億噸的水會進入到地球的地幔，總量聽起來應該很多，但是我打一個比喻，一個太平洋有730萬億噸的水，如果我們將進入地球深部的水，跟我們地球表面的水的總量相比的話，它還是一個很小的一部分。當然大家別忘了，地球的年齡可是以數十億年為單位去計算的，兩者相乘的話，其實還是一個比較可觀的數字。

所以説如果一直有水進入到地球的深部，但是沒有水從地球深部出來，帶來一個問題就是：地球會逐漸變成一個乾涸的行星。

但是比較幸運的是，我們至今沒有發現地球有任何水會大面積枯竭的這種現象，為什麼呢？就是因為地球深部，確實存在這麼一個宏大的水循環，並且它正在影響我們現在每天的生命。

我們要解釋地球深部的水，怎麼從深部返回到地面，就必須介紹我們第二個主角：就是鐵。

鐵是地球裏面按重量去比較，它是含量最高的這麼一個元素。

大家應該都吃過這種巧克力球，我們將地球比作一個巧克力的話，裏面這顆果仁就像是一個地核，它基本上都是由鐵來組成的，外面這層巧克力可以比作是地幔，最外面是一層薄薄的地殼。

如果水進入到地球內部，和鐵相遇的時候會發生什麼樣的反應呢？大家可能自然而然就會想到是否會發生生鏽？因為生鏽我們在日常生活中都很熟悉，它就是水遇上了鐵，然後在空氣的作用下，表面會生成一層鐵氧化物。

當水進入到地球深部遇到鐵，會發生怎麼樣的化學作用？

研究這個話題 大家可能首先想到的是，我們是不是應該打一口很深的井，然後鑽到地球的內部，取一些樣品出來，然後做一些分析？

但其實最深的這樣一種井也只有10多千米，尚不及地球的皮毛；但實際上我們還可以利用一些比如説火山過程，從地球內部有一些所謂的包裹體從地球深部出來，這些樣品就封印在鑽石裏邊，稱之為金剛石包裹體，但這樣的樣品，最深也就是幾百千米的水平，差不多最深是到了下地幔的上部，還是沒有辦法覆蓋整個地幔。

我們在實驗室就換了一種思路，我們打磨了一對金剛石，然後把它打磨成一個錐形，在它的中間放上樣品，然後兩邊用力，這樣就能使這顆細小的樣品上面產生很大的壓力，這樣的樣品可以覆蓋整個地幔的壓力範圍，甚至可以做一些地核的科學工作。

這是我們實驗的一個場景圖，大家可以看到這是一對金剛石，今天我就特意帶了這麼一個裝置過來。我手中這個東西就是金剛石壓砧，而且它不是一個模型，它就是這麼小巧，可以從我的口袋裏直接拿出來。

大家可能會問它是不是很危險，因為它壓力很大。但實際上因為壓力都是集中在很小的一點樣品上面，所以最不濟的情況也就是金剛石有一些錯位，然後金剛石報廢掉了，但實際上它是十分安全的。

大家可能比較好奇這個裝置到底貴不貴？我就打一個不太恰當的比喻，我們一年使用這個鑽石的價格，可能還不及我們單位周圍一平米的房價。

只要在這個樣品上施加足夠的壓力，鐵和水就可以發生一些獨特的化學反應。

之前提到了鐵鏽的主要成分是鐵氧化物，那在常壓下面，其實有三種最主要的鐵氧化物。

這個紅色的叫做三氧化二鐵；然後黑色的是磁鐵礦，主要成分是四氧化三鐵；最右邊這個是叫磷鐵礦，主要成分是氧化亞鐵。

但是在地球內部，鐵、氧之間的化學鍵會發生一些質的變化，它就會出現一些新的鐵氧化物，比如説我們要提到的二氧化鐵。它就是在地球深部才能穩定存在的這麼一種鐵氧化物。那二氧化鐵是怎麼在地球深部被發現的呢？

這就必須使用到我們之前提到的這個金剛石壓砧了。左邊這個圖裏面就是鐵和水的樣品，然後我們將這個樣品加壓到70萬個大氣壓，然後使用激光對它進行加熱，以此來模擬地球深部1700千米的，這麼一種温度和壓力的環境，然後我們就通過一些表徵手段，發現裏面生成了二氧化鐵。

二氧化鐵，它的特點就是氧比較多，我們可以想象是把一些額外的氧氣打到了氧化鐵裏邊，然後它也是一種只在高壓下才能穩定的，如果我們把壓力撤去了，它又會重新變成三氧化二鐵，並且釋放出氧氣。

我們當時合成了這個二氧化鐵是相當興奮的，基本上就是在一週之內把整個文章都寫好了，為什麼呢？是因為二氧化鐵是我們想要提出這個假説的最關鍵的這麼一種成分。

我們假説的名字就叫做“深部造氧説”。這張圖片裏面我們例舉了一些化學反應方程式，傳統的觀點認為地球深部有一個水循環，但是水循環最簡單的單位應該就是水，無論是吸水也好，脱水也好，這個水不會自動分解成氫氣和氧氣。

我們的假説——深部造氧説認為，在1700千米深度以下，水可以發生分解，在鐵的幫助下，氧跟鐵結合生成二氧化鐵，然後氫氣就跑掉了。所以説這兩套理論，它是有一定的差別在這裏，我們怎麼去應用這套理論呢？

我們就給地球切一個剖面，然後看一下水在地球的深部是怎麼去參與並且完成這個循環的。因為在1700千米以下，水可以分成氫和氧，所以我們可以分成兩個部分去討論它。

其中氧跟鐵結合在一起變成了二氧化鐵，我們可以將二氧化鐵作為一個比較具有代表性的礦物，我們叫它是一個富氧相，它相當於是地球深部的儲存氧氣的倉庫，它在1700千米以下的時候可以穩定存在，但是它一旦進入淺部才會發生分解，所以它只要是保存在那個深度就可以一直地積累，然後可以牢牢地吸住氧氣；

那麼氫呢？氫可以在礦物裏面自由地擴散運動，在物理學家，他們稱之為是“超離子態”的一種狀態，這也是在高温高壓下會有的一種特殊的狀態，它就像是一塊海綿，吸收了很多液體氫，乍看之下，這塊海綿還是固體，但是隻要我們一擠，裏面的液體氫就會出來，但是因為氫，它本身的比重比較小，所以它是會上升的，上升的過程中會跟其它的礦物重新結合生成水。

這裏我們特別要注意一下，這個結合的過程不是説遊離的氫跟遊離的氧發生了重新的結合，而是通過一些複雜的化學作用，有一些氧化還原的作用，使得氫和氧重新結合起來，比如説它會生成一些碳氫化合物，這些碳氫化合物就是一些有機物的雛形，最後剩下的一些氫會通過火山作用直接被排除到大氣裏邊。

這就是我們通過深部造氧説描繪的水在地球的整一個旅程。

大家可能會問：二氧化鐵在地球深部慢慢地積累下去，它到臨界點的時候是否會發生一些變化？

我舉一個例子大家可以參考一下。1986年的時候，喀麥隆有一個叫做尼奧斯湖的地方，發生了一次湖底的噴發，它將大量的二氧化碳氣體噴發出來。因為二氧化碳氣體的比重比空氣重，所以當二氧化碳氣體又降落下來的時候，它就會淹沒到附近的村莊，然後排出周圍的空氣，最終造成幾千人的窒息死亡。

雖然這場災難具體的成因還有一些爭議，但是有一點是可以肯定的，就是二氧化碳在尼奧斯湖湖底已經積累到了一個臨界值，最終導致它的噴發。

那二氧化鐵它在地球深部，積累到臨界值也會發生爆發，就會讓這些二氧化鐵從深部進入到淺部，發生分解，釋放出氧氣。

在地球整個幾十億年歷史上，確實存在這麼一些特殊的時期，氧氣的濃度會上升，我們稱之為“大氧化事件”。

這個圖的右邊這一側，我就將氧氣的含量跟地球的紀年做了一個圖，我們發現其實在整個歷史上有這麼幾個特殊時期，氧氣經歷了從無到有，從低含量到高含量的這麼一個過程。

解釋大氧化事件，其實有很多的學説，比如説現在最流行的是“藍藻菌的產氧機制”。

藍藻菌，它是可以產生很大量的氧氣，而且也經過了這麼多年的研究，我想它的大方向應該是沒有錯誤的，但是藍藻菌可以解釋所有關於大氧化事件的問題嗎？其實大氧化事件它經歷的時間，如果跟地球整個歷史時期相比的話，應該是比較短暫的，可以説是一些突發性的事件，最早的藍藻菌應該誕生於三十三億年前，而這距離第一次大氧化事件還差了十億年。

氧氣濃度突然上升，它本身就應該是一個謎團，這邊我就斗膽將我們提出的“深部造氧説”跟“藍藻菌的產氧機制”都列在一張圖上面。

我們“深部造氧説”，它其實核心就是二氧化鐵代表的這種富氧相在地球深部的積累，到達臨界點之後發生突然的爆發，它的特點就： 它是一種間歇性的、驟發的這麼一種過程；

而形成鮮明對比的是**“藍藻菌的產氧機制”，它是一種持續性的、穩定的；**

**而我們的“深部造氧説”，它還有一個特點，它可以分析過往氧氣波動的頻率，還可以預測下一次氧氣波動的時間。**因為地球深部儲氧的倉庫的大小其實是一定的，如果幾百年後再次出現了這種氧氣波動，會帶來什麼呢？

我們就不妨回顧一下歷史吧。第一次的大氧化事件誕生了有氧生物，第二次的新生代的增氧事件發生在6—7億年前，它使得高級生物在地球上產生了，隨後地球發生了差不多現在認為應該是有五次的生物大滅絕。

每一次的生物大滅絕，都會使得一半以上，甚至絕大部分的生物滅亡。但是比較湊巧的是，每一次生物的滅絕，都和氧氣的突然上升或者下降有關。如果我們算一下上一次生物大滅絕是6600萬年前，按照這個頻率的話，那下一次的氧氣波動可能就不太遠了。

下一次的氧氣波動會造成怎麼樣的情況，是否會使地球上的生命來一次重新的洗牌，人類是否會重蹈恐龍的覆轍？這些問題希望大家可以回去考慮。

其實我特別想説一點是，我們提出的理論還屬於一個假説。假説的本質是，它還需要很多的實驗、很多的數據去支持。

我們當年，2016年完成這個工作的時候，首先投稿。投稿我們首先想到的是投稿《科學》雜誌，結果馬上就被拒稿了。

但其實轉念一想，如果我們想的東西跟之前的傳統理論完全一樣，很對這些傳統編輯也好、審稿人也好，對他們的胃口的話，這樣的工作其實它的重要性也就沒有這麼大，但這也是激勵我們去做更多的工作，然後慢慢地將我們的假説完善起來。

從2016年起到2021年，我們的工作都一直在進行着，被《科學》拒稿之後，我們轉投了《自然》馬上就被接收了。

所以就開始吸引一些人去重複我們的工作，至今為止已經經歷了差不多有五個年頭，然後我們也解決了一些比較有挑戰性的項目。

比如説我們後來發現了，這個二氧化鐵裏面可以包含有少量的氫，然後我們對二氧化鐵做了一些化學分析，發現裏面的鐵其實是一個正二價等等，這樣的東西我們到現在一直是在努力去完善它。

我想特別感謝一下我的導師毛河光先生，已經年近八十了，但是還是活躍在科研的第一線。他也是整個高壓科學的泰山北斗。

我還想特別感謝一下日本愛媛大學的西真之教授。我們當時發佈工作的時候，西真之教授就對我們的工作提出了嚴厲的批評。他覺得我們的結果應該是錯誤的，因為在他們看來水應該是最小的單位，不管深度是如何，它絕對不會發生分解，變成氫氣和氧氣。

正是因為有了西真之教授的激勵也好、鞭策也好，我們不得不在很短的時間之內，去回答他提出的很多問題，而且很多問題都很棘手。

但是正因為如此，而且引起了大家的關注，很多的研究小組就開始來重複我們的工作，然後也重複成功了。最近幾年我們也開始修正自己的一些理論，加入了一些更具包容性的內容。

到現在我們確確實實地感受到西真之教授在他的文章裏面的態度已經逐漸軟化，甚至最近的文章已經跟我們的觀點，幾乎是比較相近甚至一致了，這也是我們提出“深部造氧説”之後感到比較欣慰的一點。

其實深部造氧説不僅是可以解釋地球內部的一些事情，它也可以應用到行星裏面，比如説火星。

我們知道水是生命可以存在的很重要的一個因素，如果我們把地球上的一些水轉移到火星，或者是在火星的內部發現很多的冰，然後通過一些改造是否可以將火星變成下一個地球呢？

很可惜，如果是基於我們深部造氧説來説，這是不太容易做到的。因為火星，它的半徑差不多是地球的一半，所以它不應該存在像地球一樣的這種深部的水循環，它的深度不夠，所以水無法分解成為氫氣和氧氣，無論經過多長的時間，它都沒有辦法形成二氧化鐵，然後噴發到火星表面，形成這種富氧的大氣。

但是我們也不要小看人類的好奇心，其實科學本身是一個比較開放的一種話題，很多東西都是在探索中前進的。

從歷史的角度看，從地心説到日心説，然後後面還有費米悖論、板塊學説等等，這些假説一開始提出來，都是一些假説，都是經過很長時間的論證才真正被大家認可的；

但是還是存在着一些當時是風行一時，但是最終卻銷聲匿跡的假設，比如説五、六十年代，穩態理論和大爆炸理論是齊名的——關於解釋宇宙起源的這麼兩種理論，直到宇宙背景輻射的提出和驗證，大爆炸理論才進入主流；

而四年前又有人提出一種新的假説，叫做彈跳宇宙模型，説不定經過幾十年，可能會比大爆炸理論更好，成為大爆炸理論2.0也説不定。

其實科學就是在證實和證偽的螺旋中前進的，大部分的工作其實都是默默無聞的，甚至是鮮為人知的，我希望我們的假説可以成為大家的墊腳石。

科學是可以沒有國界的，但是科學家是有國籍的，希望我們今天的工作可以成就中國某位天才的宏大理論。

謝謝大家！