地幔下的氦化合物

寻找地幔下可能存在的氦化合物一直是地球物理领域的研究难题。

氦是宇宙中仅次于氢的第二丰富的元素，但由于其化学惰性不能像氢元素一样与其他元素反应生成稳定的化合物，因此只有少量的地球形成初期保留下来的原始氦气存在于大气中，换句话说，氦元素是地球上的稀有元素之一。

然而近几年地质科学家们发现有氦气从地幔俯冲带喷发出来（比如洛杉矶盆地Newport-Inglewood断层带）。因此科学家们推测地幔中可能存在氦的化合物。尽管如此，科学工作者一直未发现含有氦元素的矿物。甚至在地幔温度压力下也未合成相关的含有氦元素的化合物。吉林大学的马琰铭教授课题组与北京高压科学研究中心的冯晓蕾博士，及Simon Redfern教授，内华达大学的陈长风教授合作，使用理论计算的方法预测氦气能与最新发现的下地幔铁氧化物（FeO2）发生化学反应，生成一种稳定的立方相化合物—FeO2He。相关成果发表于近期的《物理评论快报》（Zhang et al.，Phy. Rev. Lett.，2018）。

因为氦的化学惰性，寻找地幔条件下可能存在的氦化合物一直是地球物理领域的挑战性的研究难题。该研究团队选择了最新发现的下地幔氧化物—过氧化铁（Hu et al.，Nature, 2016）作为研究对象，使用马琰铭教授团队自主研发的CALYPS方法(http://www.calypso.cn/)进行了高压下的结构模拟，发现惰性气体氦在在核幔边界遇到这种新发现的铁氧化物时变得活泼起来，生成非常稳定的立方化合物—FeO2He。

由于—FeO2He的相边界刚好对应与核幔边界的条件，该区域存在一层十几公里厚的超低速区，该研究团队推测新发现的氦化合物或许与超低速带相关。因此他们进行了进一步的声速计算，发现FeO2He的声速与核幔交界处超低速区的地震波速度符合的很好，因此提出FeO2He很可能是存在于超低速带的有效化合物—或者说 FeO2He是超低速带的成因之一。

除了过氧化铁，该团队还计算了氦与地球内部的主要成份，MgO，SiO2，MgSiO3及Fe的反应，发现只有过氧化铁可以与氦反应生成稳定的化合物。“我们的研究进一步表明FeO2是地幔氦的主要载体，也证实了之前研究报道的FeO2是核幔边界超低速带形成的主要原因（Liuetal.，Nature, 2017）”，Redfern教授解释道。