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，水無法以液態(tài)存在，整個星球如同煉獄，是生命無法立足的絕境。

近期，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了中國科學(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，大量水分可通過礦物的結(jié)晶過程，被高效“鎖藏”于地幔深處。這一發(fā)現(xiàn)更新了關(guān)于地球深部水儲存與早期分布的認(rèn)知，指示深部水可能是驅(qū)動地球從熾熱煉獄轉(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程中，會結(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、且含量超過一半的主要礦物，它如同一個微觀的“儲水容器”（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）

以往研究基于相對低溫的實(shí)驗(yàn)條件，認(rèn)為布里奇曼石的儲水能力有限。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。

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，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”級實(shí)驗(yàn)樣品中，精準(zhǔn)捕捉含量低至萬分之一級別的痕量水信號。

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)測定了相平衡溫度，為揭示溫度對水分配的關(guān)鍵控制作用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還依托中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的先進(jìn)分析平臺，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”，得以成功在微米級樣品中清晰識別出水的分布信號（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，下地幔成為了整個固體地幔中最大的儲水層，其儲水量可能高達(dá)此前模型預(yù)估的5至100倍。據(jù)估算，早期固體地幔中儲存的水量，可能相當(dāng)于0.08至1個現(xiàn)代全球海洋的總水量。

深埋的水并非靜止的“庫存”，它如同地球這臺巨型地質(zhì)機(jī)器的“潤滑劑”，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)動等重要地質(zhì)過程，賦予地球持續(xù)演化的活力。隨著時間推移，深部水通過巖漿活動等地質(zhì)過程被逐漸“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

該研究在實(shí)施過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)與分析測試技術(shù)的整體水平提升至國際先進(jìn)行列，未來有望在深地?fù)]發(fā)分行為的研究中取得更多突破。

來源：中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所官網(wǎng)

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