新聞動(dòng)態(tài)廣州地化所《科學(xué)》發(fā)文揭示：“水之火種”深藏早期地幔，驅(qū)動(dòng)地球宜居演化
46億年前的地球，并非一顆溫柔的藍(lán)色星球，頻繁而劇烈的星體撞擊使其地表與內(nèi)部翻騰著熾熱的巖漿，水無(wú)法以液態(tài)存在，整個(gè)星球如同煉獄，是生命無(wú)法立足的絕境。
北京時(shí)間12月12日凌晨3點(diǎn)，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所杜治學(xué)研究員領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)的重要成果。該研究首次通過(guò)高溫高壓實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在地球形成初期的極端高溫環(huán)境下，大量水分可通過(guò)礦物的結(jié)晶過(guò)程，被高效“鎖藏”于地幔深處。這一發(fā)現(xiàn)更新了關(guān)于地球深部水儲(chǔ)存與早期分布的認(rèn)知，指示深部水可能是驅(qū)動(dòng)地球從熾熱煉獄轉(zhuǎn)變?yōu)橐司有乔虻年P(guān)鍵力量。
一、革新認(rèn)知：溫度越高，礦物越“鎖水”
地球早期的巖漿洋在冷卻過(guò)程中，會(huì)結(jié)晶出固態(tài)礦物，逐漸形成地幔。其中，布里奇曼石是地幔中最早結(jié)晶、且含量超過(guò)一半的主要礦物，它如同一個(gè)微觀的“儲(chǔ)水容器”（圖1），其“鎖水”能力（即礦物/熔體水分配系數(shù)）直接決定了有多少水能從巖漿中轉(zhuǎn)入固態(tài)地球。
圖1 布里奇曼石從地球深部巖漿洋“鎖水”的想象示意圖 （AI生成）
以往研究基于相對(duì)低溫的實(shí)驗(yàn)條件，認(rèn)為布里奇曼石的儲(chǔ)水能力有限。然而，杜治學(xué)團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的“極端溫壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置”成功將實(shí)驗(yàn)溫度大幅提升至約4100℃的極端高溫。最新數(shù)據(jù)表明：布里奇曼石的“鎖水”能力隨溫度升高而顯著增強(qiáng)。這意味著，在地球最熾熱的巖漿洋階段，正在結(jié)晶的布里奇曼石反而能夠“捕獲”并封存遠(yuǎn)超以往想象的海量水分，這直接顛覆了“深下地幔幾乎不含水”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。
二、技術(shù)突破：于方寸間捕捉痕量“水印記”
要獲得上述認(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)面臨兩大挑戰(zhàn)：一是在實(shí)驗(yàn)室模擬深度超地下660公里的極端環(huán)境；二是在不足頭發(fā)絲直徑十分之一的“微塵”級(jí)實(shí)驗(yàn)樣品中，精準(zhǔn)捕捉含量低至萬(wàn)分之一級(jí)別的痕量水信號(hào)。
為此，研究團(tuán)隊(duì)搭建了能實(shí)現(xiàn)激光加熱和高溫成像的金剛石壓腔實(shí)驗(yàn)裝置，成功模擬深部地幔條件，并精準(zhǔn)測(cè)定了相平衡溫度，為揭示溫度對(duì)水分配的關(guān)鍵控制作用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還依托中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的先進(jìn)分析平臺(tái)，利用冷凍三維電子衍射、納米二次離子質(zhì)譜（NanoSIMS）等尖端手段，并結(jié)合中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所龍濤研究員團(tuán)隊(duì)的原子探針斷層掃描技術(shù)（APT），發(fā)展出一系列原創(chuàng)性微納尺度微量水分析新方法。猶如為微觀世界配備了超高分辨的“化學(xué)CT”與“質(zhì)譜儀”，得以成功在微米級(jí)樣品中清晰識(shí)別出水的分布信號(hào)（圖2），破譯了布里奇曼石的“鎖水”密碼。
圖2 實(shí)驗(yàn)樣品的微納米尺度表征
三、深遠(yuǎn)意義：深部“水庫(kù)存”塑造宜居地球
基于這一新發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了巖漿洋結(jié)晶模型。模擬結(jié)果顯示，由于早期高溫下布里奇曼石的強(qiáng)效鎖水能力，在巖漿洋凝固后，下地幔成為了整個(gè)固體地幔中最大的儲(chǔ)水層，其儲(chǔ)水量可能高達(dá)此前模型預(yù)估的5至100倍。據(jù)估算，早期固體地幔中儲(chǔ)存的水量，可能相當(dāng)于0.08至1個(gè)現(xiàn)代全球海洋的總水量。
深埋的水并非靜止的“庫(kù)存”，它如同地球這臺(tái)巨型地質(zhì)機(jī)器的“潤(rùn)滑劑”，能夠降低地幔巖石的熔點(diǎn)和黏度，促進(jìn)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)與板塊運(yùn)動(dòng)等重要地質(zhì)過(guò)程，賦予地球持續(xù)演化的活力。隨著時(shí)間推移，深部水通過(guò)巖漿活動(dòng)等地質(zhì)過(guò)程被逐漸“泵”回地表，參與形成原始大氣和海洋。這股早在星球初期就被封存于地球“骨骼”中的“水之火種”，很可能正是推動(dòng)地球從巖漿煉獄轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色宜居星球的關(guān)鍵力量（圖3）。
圖3 深部水從地球形成早期至今的演化圖景
文章信息：
該研究由深地過(guò)程與戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜治學(xué)研究員領(lǐng)銜開(kāi)展，盧文華博士后為第一作者，楊亞楠工程師和李元研究員為共同通訊作者，合作者包括鮮海洋副研究員和中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院龍濤研究員。得益于中國(guó)科學(xué)院(XDB0840200；ZDBS-LY-DQC013；2021353)，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)(42150102；42394112；41903017；42241158；42225302)，科技部(2022YFF0704900)，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金委員會(huì)(2025A1515011226)和中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)(GZC20241732)的資助，本研究在實(shí)施過(guò)程中成功突破了系列高溫高壓實(shí)驗(yàn)與微納米尺度水含量表征的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，將相關(guān)實(shí)驗(yàn)與分析測(cè)試技術(shù)的整體水平提升至國(guó)際先進(jìn)行列，未來(lái)有望在深地?fù)]發(fā)分行為的研究中取得更多突破。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5883
深下地幔揮發(fā)分行為研究團(tuán)隊(duì)
左至右依次為：王婉穎博士后，盧文華博士后，杜治學(xué)研究員，李俊威博士后
