科学探索|地球外核在生锈吗？地球外核在生锈吗？|

美国亚利桑那州纪念碑谷的猫头鹰岩。该岩石的红色来自于氧化铁矿物。最近的实验表明，铁氧化物也可能在地球表面之下形成，甚至深达地核与下地幔的交界处。当俯冲带携带着含水矿物深入到地幔深处时，可能就会“锈蚀”地球的铁质外核，形成巨大的氧气汇。之后，这些氧气就会回到大气层中。
地球表面的铁，无论是简单的钉子还是坚固的大梁，当暴露在潮湿空气或含氧的水中时，就会逐渐发生氧化反应。这种反应的红褐色产物就是铁锈，可以由各种形式的含水氧化铁和氧化铁氢氧化物组成。在美国西南部的干旱气候区，以及其他许多地方发现的红色岩石都属于同一种氧化铁矿物——赤铁矿；而在潮湿的环境中，像赤铁矿这样的铁矿石会风化成铁的碱式氧化物——针铁矿（FeOOH）。在地球深处，确切地说，在地球表面以下2900千米深处，大量的熔融铁组成了地球的外核。那么，外核也会生锈吗？
最近，科学家在实验中发现，当铁在接近100万大气压（类似地幔深处）的压力下与水分——以水或含氢氧基矿物的形式——相遇时，会形成过氧化铁或高压形式的氧化铁-氢氧化铁，结构与黄铁矿相同（称为黄铁矿型FeOOH）。换句话说，这些实验中的氧化反应确实会形成高压铁锈。
如果铁锈确实存在于外核与地幔的交界处（地核-地幔边界，简称CMB ，又称古登堡界面），那科学家们或许有必要更新他们对地球内部及其历史的看法。这些铁锈可以揭示下地幔的深水循环和超低速区（ULVZs）的神秘起源。超低速区是位于地球流体核心上方一层小而薄（不超过50千米）的区域，地震波速在此显著降低。这些铁锈或许还可以解释大氧化事件（GOE）和新元古代氧化事件（NOE），前者标志着地球富氧大气层的开始，大约发生在25亿到23亿年前；后者发生在10亿到5.4亿年前，使大气中的自由氧达到现在的水平。
但是，我们如何知道古登堡界面是否已经生锈了呢？

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地球表面的红色岩石主要来自于氧化的赤铁矿和针铁矿。在地球表面2900千米以下的地核-地幔边界（古登堡界面）可能存在的铁锈沉积物，可能由具有黄铁矿样结构的氧化铁-氢氧化铁矿物组成。这种铁锈物质可以解释地震数据中发现的超低速区（ULVZ）。超低速区的检测阈值反映了当前地震断面扫描的分辨率。

地核-地幔交界的地震特征
尽管目前还无法在古登堡界面下开采矿物，但我们可以用其他方法进行检测。如果地核会随着时间的推移而生锈，那么在古登堡界面上可能已经积累了一层铁锈，能够显示出某些地震特征。
实验室研究表明，地核的氧化铁-氢氧化铁锈（即FeOOHx ，其中x是0 到1的数值）可能导致穿过它的地震横波（Vs）和纵波（Vp）速度显著降低，就像超低速区的岩石（或部分熔融）。事实上，与初步参考地球模型中作为深度函数的平均地震波速度相比，地核铁锈可以使横波和纵波速度分别降低44%和23% 。如果地核铁锈堆积的厚度超过3到5千米，巨大的地震波降速将使其在地震层析成像中被识别出来。