中国科学家在“微尘”中捕捉地球深部“水之火种” | 科技前线

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海洋，水无法以液态存在。

中国科学院广州地球化学研究所团队首次通过高温高压实验证实，在地球形成初期极端高温的环境下，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转变为宜居星球的关键。

▲布里奇曼石从地球深部岩浆洋“锁水”的想象示意图 （AI生成）

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方寸间捕捉“水印记”

地球早期的岩浆海洋在冷却过程中，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” ，其“锁水”能力直接决定了有多少水能从岩浆中转入固态地球。

为了实现研究目标，研究团队面临两大挑战：一是在实验室模拟地下深度超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水分子信号。

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。

研究团队利用冷冻三维电子衍射、纳米二次离子质谱等尖端手段，结合原子探针断层扫描技术，发展出一系列原创性微纳尺度微量水分析新方法。

广州地化所科研团队的研究，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。

这些方法犹如为微观世界配备了超高分辨的“化学CT”与“质谱仪”，成功在微米级样品中清晰识别出水分子的分布信号，破译了布里奇曼石的“锁水”密码。

▲实验样品的微纳米尺度表征

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颠覆传统认知

研究团队利用自主研发的极端高温高压实验模拟装置，成功将实验温度大幅提升至约4100℃的极端高温，发现矿物的“锁水”能力（即水分配系数）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。

基于这一新发现，团队构建了岩浆海洋结晶模型。

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，在岩浆海洋凝固后，下地幔成为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。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5883

来源：中国科学院广州地球化学研究所

责任编辑：曹旸