地球內(nèi)部的元素組成與分布，記錄著星球形成與演化的關(guān)鍵信息。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)部分元素在硅酸鹽地幔中的含量遠(yuǎn)低于太陽(yáng)豐度，傳統(tǒng)模型將其歸因于元素?fù)]發(fā)逃逸或核心封存，但這些解釋始終存在爭(zhēng)議。
2025年11月10日，煙臺(tái)大學(xué)物理與電子信息學(xué)院王曉麗/李建福教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）上在線(xiàn)發(fā)表了重磅研究成果——《Pressure-induced redox reversal of iron and the distribution of elements in deep Earth》，該研究通過(guò)大規(guī)模第一性原理計(jì)算結(jié)合CALYPSO結(jié)構(gòu)搜索技術(shù)，首次揭示了地球核心高壓條件下鐵的氧化還原特性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，豐富了傳統(tǒng)地球化學(xué)認(rèn)知，為破解地球深部元素分布謎題、探索行星形成演化提供了全新視角。
地球核心壓力高達(dá)135-367 GPa，極端條件下的元素化學(xué)行為難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接觀(guān)測(cè)。傳統(tǒng)認(rèn)知多基于常壓實(shí)驗(yàn)，難以適用于深部環(huán)境，導(dǎo)致地球核心輕元素組成、元素虧損機(jī)制等關(guān)鍵問(wèn)題長(zhǎng)期懸而未決。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)模擬發(fā)現(xiàn)，鐵在地球核心高壓條件下會(huì)發(fā)生顯著的氧化還原反轉(zhuǎn)：常壓下鐵作為電子供體（還原劑），而在核心高壓環(huán)境中，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>電子受體（氧化劑），甚至能氧化多種p區(qū)元素。這一反轉(zhuǎn)源于高壓下電子的重新分布——鐵的3d軌道能量降低，電子從p區(qū)元素向鐵轉(zhuǎn)移，使鐵的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生根本性改變。此外，研究還發(fā)現(xiàn)高壓大幅增強(qiáng)了其與多數(shù)p區(qū)元素的結(jié)合強(qiáng)度。常壓下與鐵結(jié)合松散的Si、Ge、As等元素，在核心壓力下能形成穩(wěn)定化合物，部分結(jié)合強(qiáng)度提升超過(guò)1 eV /原子。更關(guān)鍵的是，研究發(fā)現(xiàn)硅酸鹽地幔中p區(qū)元素的虧損程度，與它們和鐵的結(jié)合強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)——結(jié)合越強(qiáng)的元素，虧損程度反而越低。這一發(fā)現(xiàn)直接挑戰(zhàn)了“核心封存導(dǎo)致元素虧損”的傳統(tǒng)模型，表明元素?fù)]發(fā)性可能是更核心的控制因素。
此外，一個(gè)顯著的突破是發(fā)現(xiàn)了硅與鐵結(jié)合的獨(dú)特異常性。隨著壓力升高，鐵-硅鍵的強(qiáng)度增幅遠(yuǎn)超其他元素組合，在250 GPa時(shí)甚至超過(guò)鐵-氧鍵，使硅成為典型的親鐵元素。這一特性暗示硅可能是地球核心中關(guān)鍵的輕元素成分，不僅能解釋地震學(xué)觀(guān)測(cè)到的核心密度異常（低于純鐵鎳合金），還為解決“地幔中鎂/硅比值高于球粒隕石”的謎題提供了合理答案。
文章第一作者為王曉麗教授、馮曉蕾博士、李建福教授，通訊作者為苗茂生教授、Matthew G. Jackson教授和Simon A. T. Redfern教授，煙臺(tái)大學(xué)為第一完成單位。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、泰山學(xué)者工程、山東省自然科學(xué)基金、煙臺(tái)市省級(jí)領(lǐng)軍人才配套支持的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2414911122
來(lái)稿時(shí)間：11月18日 審核：劉俞斌 責(zé)任編輯：劉運(yùn)正
