深海溶解水冰行星的岩石外壳

 

在冰行星的表面下面发生了什么?是否存在液态水?如果存在，它是如何与行星上的岩石“海底”相互作用的?新的实验表明，在地球大小介于6倍于地球大小的水冰行星上，水会选择性地从典型的岩石矿物中滤出镁。在一个实验室里，科学家们重新创造了压力高达10万大气压、温度超过1000摄氏度的环境，并模拟了类似的行星，但比海王星和天王星要小。

 

地球表面的水-岩石相互作用机制众所周知，水在地球和其他类地行星内部的复杂循环也在不断完善。然而，我们不知道在压力和温度比地球上最深处海洋的底部高几个数级的情况下，在高温、高密度的H2O和水冰行星的岩石外壳之间的界面上发生了什么。在太阳系中，海王星和天王星被归为冰巨星;它们有一层很厚的外部水冰层，下面是一层很深的岩石层，目前还在讨论界面的温度是否足以形成液态水。

 

韩国首尔延世大学的Taehyun Kim领导的一个国际研究团队，包括来自亚利桑那大学、DESY、阿贡国家实验室的科学家，以及GFZ德国地球科学研究中心的Sergio Speziale，在PETRA III(汉堡)和Advanced Photon Source (Argonne，美国)进行了一系列具有挑战性的实验，显示了水是如何在20 - 40 Gigapascal (GPa)的压力下从某些矿物质，如铁方镁石(Mg,Fe)O和橄榄石(Mg,Fe)2SiO4中强烈地浸出氧化镁(MgO)的。这相当于地球上大气压力的20万到40万倍，温度高于1500 K(约1230°C)，这种条件存在于亚海王星级水行星的深海和岩石地幔之间的界面。天富注册

 

Sergio Speziale说:“这些发现为海王星和天王星等大型冰行星的热历史打开了新的局面。”这项研究的结果发表在科学杂志《自然天文学》上。

 

用金刚石砧细胞(DAC)在金属箔上钻孔，在两个宝石级钻石切割块之间挤压，在一个微小的样品室(直径小于一毫米)中装入铁方镁石或橄榄石粉末的小颗粒和水。样品通过红外线激光照射钻石砧加热。用同步x射线衍射法测定了与水反应引起的矿物转化和击穿。

 

在整个加热和淬火周期中，观察到起始矿物的衍射信号突然下降，并出现新的固相，包括水镁石(氢氧化镁)。Sergio Speziale解释说:“这表明了化学反应的开始和氧化镁成分的溶解，铁方镁石和橄榄石;在特定的压力-温度范围(20 ~ 40吉帕斯卡和1250 ~ 2000开尔文)，溶解最强。”天富注册

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通过对回收样品的扫描电镜(SEM)和x射线光谱分析，确定了反应过程的细节和随后的MgO从残留相的化学分离。Sergio Speziale说:“在这些极端压力和温度下，氧化镁在水中的溶解度达到了与环境条件下的盐类似的水平。”

 

科学家们得出的结论是，在水层和岩石地幔之间的界面上，MgO的强烈溶解可能会在具有适当大小和组成的、富含水的亚海王星外行星(如TRAPPIST-1f)中产生行星历史早期热阶段的化学梯度。在漫长的冷却演化过程中，这些镁氧化物在地球海底的分异分布的梯度可以部分地保留下来。水和岩石物质在行星吸积过程中最初相对较浅的相互作用的轨迹，也可能在天王星大小的大型冰行星上保存了数十亿年。