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该研究由Qingyang Hu、Duck Young Kim、Wenge Yang、Liuxiang Yang、Yue Meng、Li Zhang和Ho-Kwang Mao等多位学者共同完成，分别来自Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR)、Geophysical Laboratory, Carnegie Institution、High Pressure Synergetic Consortium (HPSynC)和High Pressure Collaborative Access Team (HPCAT)等研究机构。研究成果于2016年6月9日发表在Nature期刊上，文章标题为《FeO2 and FeOOH under deep lower-mantle conditions and Earth’s oxygen–hydrogen cycles》。

学术背景

该研究属于地球科学领域，特别是地球内部化学循环和高压矿物学。地球内部的氧和氢分布、积累与循环对水圈、大气层和生物圈的地球化学演化具有重要影响。氧富集的大气层和铁富集的地核代表了氧-铁（O-Fe）系统的两个极端，涵盖了地球的整个压力-温度-组成范围。在地球深部极端高压高温条件下，铁的氧化态、自旋态和相稳定性会发生变化，形成新的化学计量比，如Fe4O5和Fe5O6。这些氧与铁的相互作用决定了地球的形成、地核与地幔的分离以及大气的演化。该研究旨在通过第一性原理计算和实验，探索在深部下地幔条件下FeO2和FeOOH的稳定性及其对地球氧-氢循环的影响。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 实验设计与样品制备
   研究团队以α-Fe2O3（赤铁矿）粉末为起始材料，将其加载到钻石压腔（DAC）中，并在低温条件下压缩液态氧作为样品腔的压力介质。初始压力提升至78 GPa，在室温（~293 K）下未观察到赤铁矿与氧的反应。随后，使用Nd掺杂的Y3Al5O12激光系统将样品加热至1,800 K，样品变为半透明，表明发生了化学反应。

2. X射线衍射（XRD）分析
   通过XRD分析，研究团队观察到新的单晶状衍射斑点，这些斑点与原始的Fe2O3粉末衍射图案明显不同。通过对衍射斑点的积分，发现了八个峰值，这些峰值与已知的Fe2O3或O2相不匹配，但可以明确地索引到一个简单的立方结构，其空间群为Pa3。

3. 多晶X射线衍射与晶体学分析
   研究采用多晶X射线衍射方法，将衍射斑点视为多个单晶的衍射，并根据单个晶体的取向矩阵进行分类。通过多晶晶体学方法软件，识别出至少33个单晶。所有对称性允许的斑点均存在，且所有观察到的斑点都可以由Pa3晶胞解释。

4. FeO2的合成与稳定性评估
   研究发现，新相的结构与黄铁矿（FeS2）相同，其中氧替代了硫。通过Rietveld精修，确定了FeO2的结构参数。该结构中，氧原子不仅形成O-Fe键（1.792 Å），还形成O-O键（1.937 Å），这是过氧化物的典型特征。研究还通过第一性原理计算评估了FeO2在高压下的稳定性，发现其在76 GPa下具有极高的稳定性。

5. FeOOH的分解实验
   研究团队进一步研究了FeOOH（针铁矿）在深部下地幔条件下的行为。实验表明，针铁矿在92 GPa和2,050 K下分解为FeO2和H2。通过拉曼光谱分析，研究团队观察到H2的振动峰，证实了H2的存在。

6. 第一性原理计算与结构预测
   研究团队使用基于第一性原理的结构搜索算法，预测了在100 GPa和300 GPa下Fe-O化合物的能量分布。结果显示，FeO2在所有计算压力下都是最稳定的相之一。通过声子计算，研究团队证实了FeO2在所有压力下都具有稳定的声子模式。

主要结果

1. FeO2的合成与结构表征
   实验成功合成了黄铁矿结构的FeO2，并通过XRD和多晶晶体学方法确定了其结构参数。研究还发现，FeO2在76 GPa下具有极高的稳定性，但在压力释放至31 GPa时无法淬火至常压条件。

2. FeOOH的分解与H2的释放
   实验表明，针铁矿在深部下地幔条件下分解为FeO2和H2。拉曼光谱分析证实了H2的存在，表明在深部下地幔条件下存在中等还原环境。

3. 第一性原理计算与预测
   通过第一性原理计算，研究团队预测了FeO2在高压下的稳定性，并与实验结果一致。声子计算表明，FeO2在所有压力下都具有稳定的声子模式。

结论与意义

该研究揭示了在深部下地幔条件下FeO2和FeOOH的稳定性及其对地球氧-氢循环的影响。研究发现，FeO2在高压下具有极高的稳定性，而FeOOH的分解会导致H2的释放和FeO2的积累。这一过程可能解释了深部下地幔中地震和地球化学异常的起源，并为二十亿年前大氧化事件提供了额外的O2来源。此外，研究还提出了深部下地幔中氧的不均匀分布的可能性，这为理解地球内部的化学循环提供了新的视角。

研究亮点

1. 重要发现
   研究首次在实验条件下合成了黄铁矿结构的FeO2，并揭示了其在深部下地幔中的稳定性。此外，研究还发现了针铁矿在深部下地幔条件下分解为FeO2和H2的过程。

2. 方法创新
   研究采用多晶X射线衍射方法和第一性原理计算，结合高压实验技术，成功揭示了FeO2和FeOOH在深部下地幔中的行为。

3. 研究对象特殊性
   研究聚焦于地球深部下地幔中氧和氢的循环，揭示了这些元素在地球内部化学演化中的关键作用。

其他有价值的内容

研究还探讨了FeO2和FeOOH在深部下地幔中的分布及其对地震和地球化学异常的影响，为理解地球内部的化学循环提供了新的思路。