“水之火種”深藏早期地幔，驅(qū)動地球宜居演化

46億年前的地球，并非一顆溫柔的藍色星球，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)銜團隊的重要成果。該研究首次通過高溫高壓實驗證實：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驗條件，認(rèn)為布里奇曼石的儲水能力有限。然而，杜治學(xué)團隊利用自主研發(fā)的“極端溫壓實驗?zāi)M裝置”成功將實驗溫度大幅提升至約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。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，研究團隊面臨兩大挑戰(zhàn)：一是在實驗室模擬深度超地下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”級實驗樣品中，精準(zhǔn)捕捉含量低至萬分之一級別的痕量水信號。

為此，研究團隊搭建了能實現(xiàn)激光加熱和高溫成像的金剛石壓腔實驗裝置，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實基礎(chǔ)。

此外，研究團隊還依托中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的先進分析平臺，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隊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 實驗樣品的微納米尺度表征

三、深遠意義：深部“水庫存”塑造宜居地球

基于這一新發(fā)現(xiàn)，團隊構(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)機器的“潤滑劑”，能夠降低地幔巖石的熔點和黏度，促進內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)與板塊運動等重要地質(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{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

該研究在實施過程中成功突破了系列高溫高壓實驗與微納米尺度水含量表征的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，將相關(guān)實驗與分析測試技術(shù)的整體水平提升至國際先進行列，未來有望在深地揮發(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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