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96.75MB · 2025-12-12
12 月 12 日消息，46 亿年前的地球，并非一颗温柔的蓝色星球，频繁而剧烈的星体撞击使其地表与内部翻腾着炽热的岩浆，水无法以液态存在，整个星球如同炼狱，是生命无法立足的绝境。
中国科学院广州地球化学研究所杜治学研究团队在国际上通过高温高压实验首次证实：在地球形成初期的极高温度环境下，大量水分可能通过矿物结晶，被高效贮存在地幔深处。
相关成果已于北京时间 12 月 12 日凌晨 3 点发表在国际学术期刊《科学》上。该研究首次通过高温高压实验证实：在地球形成初期的极端高温环境下，大量水分可通过矿物的结晶过程，被高效“锁藏”于地幔深处。这一发现更新了关于地球深部水储存与早期分布的认知，指示深部水可能是驱动地球从炽热炼狱转变为宜居星球的关键力量。
地球早期的岩浆洋在冷却过程中，会结晶出固态矿物，逐渐形成地幔。其中，布里奇曼石是地幔中最早结晶、且含量超过一半的主要矿物，它如同一个微观的“储水容器”（图 1），其“锁水”能力（即矿物 / 熔体水分配系数）直接决定了有多少水能从岩浆中转入固态地球。
以往研究基于相对低温的实验条件，认为布里奇曼石的储水能力有限。然而，杜治学团队利用自主研发的“极端温压实验模拟装置”成功将实验温度大幅提升至约 4100℃ 的极端高温。最新数据表明：布里奇曼石的“锁水”能力随温度升高而显著增强。这意味着，在地球最炽热的岩浆洋阶段，正在结晶的布里奇曼石反而能够“捕获”并封存远超以往想象的海量水分，这直接颠覆了“深下地幔几乎不含水”的传统认识。
要获得上述认识，研究团队面临两大挑战：一是在实验室模拟深度超地下 660 公里的极端环境；二是在不足头发丝直径十分之一的“微尘”级实验样品中，精准捕捉含量低至万分之一级别的痕量水信号。
为此，研究团队搭建了能实现激光加热和高温成像的金刚石压腔实验装置，成功模拟深部地幔条件，并精准测定了相平衡温度，为揭示温度对水分配的关键控制作用奠定了坚实基础。
此外，研究团队还依托中国科学院广州地球化学研究所的先进分析平台，利用冷冻三维电子衍射、纳米二次离子质谱（NanoSIMS）等尖端手段，并结合中国地质科学院地质研究所龙涛研究员团队的原子探针断层扫描技术（APT），发展出一系列原创性微纳尺度微量水分析新方法。犹如为微观世界配备了超高分辨的“化学 CT”与“质谱仪”，得以成功在微米级样品中清晰识别出水的分布信号（图 2），破译了布里奇曼石的“锁水”密码。
基于这一新发现，团队构建了岩浆洋结晶模型。模拟结果显示，由于早期高温下布里奇曼石的强效锁水能力，在岩浆洋凝固后，下地幔成为了整个固体地幔中最大的储水层，其储水量可能高达此前模型预估的 5 至 100 倍。据估算，早期固体地幔中储存的水量，可能相当于 0.08 至 1 个现代全球海洋的总水量。
深埋的水并非静止的“库存”，它如同地球这台巨型地质机器的“润滑剂”，能够降低地幔岩石的熔点和黏度，促进内部物质循环与板块运动等重要地质过程，赋予地球持续演化的活力。随着时间推移，深部水通过岩浆活动等地质过程被逐渐“泵”回地表，参与形成原始大气和海洋。这股早在星球初期就被封存于地球“骨骼”中的“水之火种”，很可能正是推动地球从岩浆炼狱转变为蓝色宜居星球的关键力量（图 3）。
该研究由深地过程与战略矿产资源全国重点实验室杜治学研究员领衔开展，卢文华博士后为第一作者，杨亚楠工程师和李元研究员为共同通讯作者，合作者包括鲜海洋副研究员和中国地质科学院龙涛研究员。本研究在实施过程中成功突破了系列高温高压实验与微纳米尺度水含量表征的关键技术瓶颈，将相关实验与分析测试技术的整体水平提升至国际先进行列，未来有望在深地挥发分行为的研究中取得更多突破。
附论文链接：
