中國科學家在“微塵”中捕捉地球深部“水之火種” | 科技前線

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部翻騰著熾熱的巖漿海洋，水無法以液態存在。

中國科學院廣州地球化學研究所團隊首次通過高溫高壓實驗證實，在地球形成初期極端高溫的環境下，大量水分可通過礦物的結晶過程，被高效“鎖藏”于地幔深處。

這一發現更新了關于地球深部水儲存與早期分布的認知，指示深部水可能是驅動地球轉變為宜居星球的關鍵。

▲布里奇曼石從地球深部巖漿洋“鎖水”的想象示意圖 （AI生成）

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方寸間捕捉“水印記”

地球早期的巖漿海洋在冷卻過程中，會結晶出固態礦物，逐漸形成地幔。其中，布里奇曼石是地幔中最早結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” ，其“鎖水”能力直接決定了有多少水能從巖漿中轉入固態地球。

為了實現研究目標，研究團隊面臨兩大挑戰：一是在實驗室模擬地下深度超660公里的極端環境；二是在不足頭發絲直徑十分之一的“微塵”級實驗樣品中，精準捕捉含量低至萬分之一級別的水分子信號。

研究團隊搭建了能實現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，并精準測定了相平衡溫度，為揭示溫度對水分配的關鍵控制作用奠定了堅實基礎。

研究團隊利用冷凍三維電子衍射、納米二次離子質譜等尖端手段，結合原子探針斷層掃描技術，發展出一系列原創性微納尺度微量水分析新方法。

廣州地化所科研團隊的研究，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鍵技術瓶頸。

這些方法猶如為微觀世界配備了超高分辨的“化學CT”與“質譜儀”，成功在微米級樣品中清晰識別出水分子的分布信號，破譯了布里奇曼石的“鎖水”密碼。

▲實驗樣品的微納米尺度表征

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顛覆傳統認知

研究團隊利用自主研發的極端高溫高壓實驗模擬裝置，成功將實驗溫度大幅提升至約4100℃的極端高溫，發現礦物的“鎖水”能力（即水分配系數）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”的傳統認識。

基于這一新發現，團隊構建了巖漿海洋結晶模型。

模擬結果顯示，由于早期高溫下布里奇曼石的強效鎖水能力，在巖漿海洋凝固后，下地幔成為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估的5至100倍。

據估算，早期固體地幔中儲存的水量，可能相當于0.08至1個現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機器的“潤滑劑”，能夠降低地幔巖石的熔點和黏度，促進內部物質循環與板塊運動等重要地質過程，賦予地球持續演化的活力。

隨著時間推移，深部水通過巖漿活動等地質過程被逐漸“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變為藍色宜居星球的關鍵力量。

論文鏈接：

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

來源：中國科學院廣州地球化學研究所

責任編輯：曹旸