46亿年前地球如何保存“水之火种”？中国科学家实验研究首次揭秘

（来源：中国环境网）

转自：中国环境网

46亿年前的地球，因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，生命也无法立足。这种环境下，地球如何为生命起源和延续保存下来“水之火种”？

中国科学院广州地球化学研究所杜治学研究员领衔团队，最近在国际上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。

本项研究中布里奇曼石从地球深部岩浆洋“锁水”的想象示意图(图片由AI生成)。中国科学院广州地球化学研究所 供图

这项地球深部研究的重大发现，更新了人类关于地球深部水储存与早期分布的认知，并指示深部藏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。相关成果论文，北京时间12月12日凌晨在国际学术期刊《科学》(Science)在线发表。

颠覆传统认知

研究团队介绍说，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”(水分配系数)能力直接决定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。在本项研究中，杜治学团队利用自主研发的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。最新数据表明：矿物的“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，从而直接颠覆了“深下地幔几乎不含水”的传统认识。

实现系列突破

研究团队指出，本研究突破了两大技术挑战：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。

本项研究成果的相关示意图。中国科学院广州地球化学研究所 供图

研究团队先是自行搭建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，并精准测定相平衡温度，为揭示温度对水分配的关键控制作用奠定坚实基础。

同时，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、纳米二次离子质谱等尖端科技手段，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，发展出一系列原创性微纳尺度痕量水分析新方法。

这一系列分析技术突破，犹如为微观世界配备了超高分辨的“化学CT”与“质谱仪”，本项研究因此得以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。

具有深远意义

基于这次研究的新发现，研究团队构建了岩浆海洋结晶模型，模拟结果显示，由于地球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倍至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。

研究团队代表(从左至右依次为王婉颖博士后、卢文华博士后、杜治学研究员、李俊威博士后)在实验室。中国科学院广州地球化学研究所 供图

研究团队表示，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。

他们认为，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46亿年前的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。