地核中氢含量的实验量化

隐藏在地球深处的水

地球上的大部分水很明显：它充盈着海洋、河流和云层。但几十年来，科学家一直怀疑在我们脚下深处的金属地核中，可能锁着一大笔无形的氢——水的关键成分。本研究提供了首个直接的实验证据，表明氢可以以大量方式被封存于地核，显示我们的行星很可能从一开始就把大量水分带向内部，而不是主要在后期由冰彗星补给。

为什么要在地核中寻找水？

氢是太阳系中最常见的元素，然而与某些原始陨石相比，地球常被描述为“干燥”。尽管表面被海洋覆盖，早期研究表明更多的氢可能存在于与铁合金化的地核中。然而现有估计极为不确定——相差可达一万倍——因为在形成地核时那种极高压力和高温下氢极难测量。此前的大多数研究不得不通过晶体尺寸的微小变化间接推断氢含量，这种方法很容易被硅和氧等其他元素的存在所混淆。

重现地球炽热的起源

为了解决这一问题，作者通过金刚石对顶砧在实验室中重现早期地球条件。他们将纯铁夹在含水的熔融岩石薄层之间，然后用强激光轰击样品，使压力达到超过大气压一百万倍、温度超过5000开尔文。在这些条件下，铁表现为金属熔体，而周围岩石形成岩浆海——这是对行星诞生环境的实验模拟。在这些短暂但剧烈的加热过程中，氢、硅和氧从熔融岩石迁移到熔融金属中，正如在45亿年前的地核形成过程中会发生的那样。

在原子尺度上观测氢

快速冷却样品后，研究人员使用了一种名为原子探针断层成像的先进技术。他们将回收的金属制成仅数十纳米宽的针状尖端，然后逐个蒸发尖端上的原子，测量它们的质量和位置信息。这使他们能够以近乎原子分辨率构建样品化学成分的三维图谱。他们发现，随着熔融金属冷却，硅和氧在铁中聚集形成纳米尺度的团簇。关键是，这些团簇也含有大量氢，形成了同时富含三种元素的微小区域。化学特征表明这些氢不能用仪器中的游离气体来解释——它必须来源于实验样品本身。

地核能容纳多少氢？

由于在这些团簇内部氢和硅与氧以近乎相等的摩尔比结合，研究团队可以用硅作为代理来估算地核中的氢含量。与氢不同，地核中的硅含量由地球物理模型和实验较好地约束，大约在2到10重量百分比之间。假定实验中观察到的大致一比一的氢对硅比例，作者推断地核可能包含约0.07到0.36重量百分比的氢。更直观地说，这相当于大约9到45倍于当前地球海洋中水的量。

这对地球水循环意味着什么

这些发现支持这样一种图景：地球在主要的行星生长阶段就获得了大部分水分，而不是主要依赖后来到来的冰体。如果地核中储存着数十个海洋量的氢，那么将地表、地幔和地核全部计算在内，整体地球中水的含量可能接近约1%的重量。经过地质时间，一些被硅和氧富集相结合深埋的氢可能会释放回地幔，甚至影响火山活动和长期的水循环。对非专业读者来说，核心观点很简单：我们熟悉的蓝色行星很可能在其金属心中隐藏着相当于古老海洋的大量氢，这将重塑我们对地球水源及其在深部循环方式的理解。

引用: Huang, D., Murakami, M., Gerstl, S. et al. Experimental quantification of hydrogen content in the Earth’s core. Nat Commun 17, 1211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68821-6

关键词: 地核 氢, 深地水, 行星增生, 金属-硅酸盐 配分, 原子探针断层成像