烟台大学团队在地球演化研究中取得重大突破

近日，烟台大学物理与电子信息学院的研究团队在国际顶级期刊《美国科学院院报》（PNAS）发表了一篇重要论文，揭示了地球深部元素分布的新机制。该论文由王晓丽教授、李建福教授为第一作者，苗茂生教授、Matthew G. Jackson教授和Simon A. T. Redfern教授为通讯作者，烟台大学为第一完成单位。

这项研究通过大规模的第一性原理计算和CALYPSO结构搜索技术，首次揭示了在地球核心高压条件下铁的氧化还原特性反转现象。这一发现为破解地球深部元素分布之谜提供了全新视角。

地球核心的压力和元素行为

地球核心的压力高达135-367 GPa，这种极端条件下的元素化学行为难以通过实验直接观测。传统的研究多基于常压实验，难以适用于深部环境，导致地球核心轻元素组成、元素亏损机制等关键问题长期悬而未决。

研究团队通过系统模拟发现，在地球核心高压条件下，铁会发生显著的氧化还原反转：常压下铁作为电子供体（还原剂），而在核心高压环境中，铁转变为电子受体（氧化剂），甚至能氧化多种p区元素。这一反转现象源于高压下电子的重新分布——铁的3d轨道能量降低，电子从p区元素向铁转移，使铁的化学性质发生根本性改变。

挑战传统模型的发现

研究还发现高压大幅增强了铁与多数p区元素的结合强度。常压下与铁结合松散的Si、Ge、As等元素，在核心压力下能形成稳定化合物，部分结合强度提升超过1eV/原子。更为关键的是，研究发现硅酸盐地幔中p区元素的亏损程度与它们和铁的结合强度呈显著负相关——结合越强的元素，亏损程度反而越低。

“这一发现直接挑战了‘核心封存导致元素亏损’的传统模型，表明元素挥发性可能是更核心的控制因素。”

硅元素的独特作用

此外，研究的一个显著突破是发现了硅与铁结合的独特异常性。随着压力升高，铁-硅键的强度增幅远超其他元素组合，在250 GPa时甚至超过铁-氧键，使硅成为典型的亲铁元素。这一特性暗示硅可能是地球核心中关键的轻元素成分，不仅能解释地震学观测到的核心密度异常（低于纯铁镍合金），还为解决“地幔中镁/硅比值高于球粒陨石”的谜题提供了合理答案。