创新背景

鉴于所涉及的极端深度、温度和压力，直接探测地球内部十分困难。为了深入地球内部，东京大学研究人员使用涉及地震数据的技术来确定地下物质的成分和密度等因素。

创新过程

氢是地球核心中可能的合金元素之一，但其亲铁性质存在争议。东京大学的研究实验涉及高温和高压下的金刚石砧和化学物质，证明氢可以在极端条件下与铁牢固结合，解释了地球核心中存在大量氢的原因，这些氢是数十亿年前撞击产生的水。

实验测量突出展现了地球核心主要由铁制成，但其密度，特别是液体部分的密度低于预期。

研究人员认为铁旁边一定有丰富的氢元素。研究在涉及金属铁和硅酸盐化合物的实验室实验中检查了水的行为，这些化合物精确地模拟了地球形成过程中的金属硅酸盐反应。他们发现，当水遇到铁时，大部分氢溶解到金属中，而氧气与铁反应并进入硅酸盐材料。

在正常的表面温度和压力下，氢不会与铁结合，但研究试图了解在更极端的条件下二者是否有可能结合。极端的温度和压力不容易重现，研究在实验室中使用由金刚石制成的铁砧实现极端条件，保证实验可以施加30-60吉帕的压力和3100-4600开尔文的温度，对地球核心形成进行良好模拟。

研究团队分别使用类似于地球核心和地幔中发现的金属和含水硅酸盐，并将它们压缩在金刚石砧中，同时用激光加热样品。使用名为二次离子质谱的高分辨率成像技术观察样品中发生的反应。这使他们能够证实他们的假设，即氢与铁结合，解释了海水明显缺乏的原因，即氢是嗜铁的。

使用二次离子质谱的高分辨率化学分析显示，用液态铁金属压缩后，硅酸盐熔体中残留的大量水。

氢具有金属/硅酸盐分配系数DH≥29，因此在核心形成条件下具有强烈的嗜铁性。除非仅在吸积的最后阶段输送水，否则岩心形成情景表明，0.3-0.6 wt% H被掺入岩心，留下相对较小的残留氢在硅酸盐中的浓度。这个H量解释了外核相对于纯铁的密度不足和声速超过30-60%。研究结果表明，氢可能是任何类地行星或卫星金属核心中的重要成分，其质量超过地球的10%。

研究证明氢在高压下是亲铁的，在地球形成过程中，大规模撞击下进入地球的大部分水可能以氢的形式存在于核心中。研究预估那里可能锁定了多达70个海洋的氢气，如果它像水一样留在地表，地球可能永远不会有陆地。

创新关键点

使用金刚石砧和二次离子质谱技术在实验室中模拟地球核心的极端条件，探究地核中的氢气量和密度，以及其在极端条件下的亲铁属性。

创新价值

研究使人们对地球的认识更加深入，了解地核中的物质成分和密度，了解地球生命周期和宇宙，有助于地球科学发展。