第七届青年地学论坛

       1988年，理论计算预测冰（H₂O）在极端高温高压条件会进入一种介于固态冰与液态水之间的新形态——超离子态。这种形态下水分子中的氢原子会脱离晶格的束缚而在固体氧原子晶格中像液体一样自由扩散，从而导致导电能力大幅度增加，使固态冰由绝缘体向导体转变。超离子态冰可能存在于冰巨星内部，并对天王星和海王星内部的电导率和磁场产生影响，因而超离子态冰引起了广泛的关注和研究。在地球内部，水主要是以含水矿物的形式存在，为了研究地球内部的超离子态物质，我们对多种含水矿物（py-FeO₂H，py-FeO₂H_0.5以及δ-AlOOH）在高温高压下（70-140 GPa以及1500-3500 K）的超离子态转变进行了研究，计算预测上述矿物可以在下地幔温压下转换为超离子态，在超离子态下，上述矿物中的质子可以在晶格中自由迁移，表现出并导致其离子电导率的显著增加，表现出较高的质子扩散系数和质子电导率。计算结果显示，在含水矿物中，氢从低压下的羟基形式（-OH）转变为高压下的对称的O-H-O形式，并在高温高压下转变为无序的超离子态。实验研究合作者通过高温高压下原位测量py-FeO₂H的电导率。在100-121 GPa下，当py-FeO₂H被加热到1700-2000 K时其电导率增大了两倍，从实验上证实了其超离子态转变。Py-FeO₂H的电导率高达10⁴ S·m^-1, 显著高于下地幔中其他主要矿物。该矿物相的存在有可能改变下地幔的电性结构，这将为下地幔水的分布提供重要的指示作用。从而为探索地球深部水循环过程提供新视角。另外，超离子态还将促进H同位素的混合，从而可能为洋中脊玄武岩中均一的D/H比值提供新认知。
      我们还利用第一性原理分子动力学方法研究了超离子态冰（冰10和冰18）的弹性性质，发现在质子扩散对其弹性性质具有显著影响。质子在超离子态冰10和冰18中展现出了不同的行为，在冰10中，质子轨迹仍然保持着长程有序性，同时弹性常数如普通固体随着温度的升高而衰减。而在超离子态冰18中离域无序的质子导致了冰10到冰18相转变过程中明显的弹性软化。不同于普通固体，在200 GPa和2000-3000 K升温过程中，冰18的弹性性质发生了随温度增加而强化的异常现象，从而导致了弹性各向异性和声波速度的变化。而高温高压下超离子态冰中质子的快速扩散所产生的额外熵值可能是导致该弹性强化现象的原因。这项工作表明，在超离子态冰中类似液体的快速扩散质子对其弹性和声速有着明显的影响，它增进了我们对高温高压下冰的性质的理解，进而可以帮助我们更好的去认识冰巨星内部结构。
 

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