硫作为一种典型的多价态元素，广泛地参与地球内部的多种化学过程。早期，人们发现一些火山在其喷发过程中会释放大量的硫（主要是SO2），其含量比火山熔体中所能容纳的硫含量高出几个数量级，这就是著名的火山喷发的“硫过量”问题。对于过量硫的来源，前人基于地球浅层数据提出了多种可能解释，但前期研究工作发现，地球浅层的S可能来源于处于高温高压状态下的地球深部。因此，探索硫-氧在地球深部温压条件下的存在形式，对破解“硫过量”的来源具有重要意义。
马琰铭教授研究团队利用CALYPSO晶体结构预测方法，在高压条件下(>79 GPa)，预言了一种新型硫-氧化合物—S3O4。该化合物具有层状结构的特征，包含S(+II)和S(+IV)两种混合价态(图1(a))。同时，在高压高温下计算了S3O4相对于SO2和S的稳定性，发现S3O4在深地幔温压条件下具有稳定性，但在地球浅层温压条件下会分解形成SO2和S (图1(b))。进一步计算发现，在深地幔高压条件下，部分含硫矿物（如硫酸盐和硫化物）可以发生氧化还原反应生成S3O4，据此提出了硫在地球内部可能的循环过程（图2）：① 含硫化合物（如硫酸盐和硫化物）通过板块俯冲，被输送到深地幔；② 含硫化合物与铁或针铁矿发生氧化还原反应生成S3O4；③ S3O4通过地质活动（如地幔柱等）输运到地球浅层，发生分解生成S和SO2。研究工作为破解火山喷发过程中的“硫过量”谜团和理解地球内部硫循环提供了新的思路。
图1 (a) S3O4晶体结构，S1和S2分别表示二价和四价硫；(b) S3O4相对于SO2和S的稳定性。
图2地球内部硫循环过程示意图。
该论文的第一作者为吉林大学物理学院2019级博士研究生刘思瑜和高朋越博士。吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室和计算方法与软件国际中心吕健、王彦超老师和北京高压科学研究中心毛河光院士为本文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林大学科学技术创新研究团队和交叉学科创新平台的资助。
谨以此文献给吉林大学物理学科七十华诞！
论文全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927322000056