中国科学家研究揭秘46亿年前地球如何保存“水之火种”

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“水之火种”？

研究团队代表在实验室。（图/中新社）

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。

这项更新人类关于地球深部水储存与早期分布认知、揭示地球如何转变为宜居星球的重大研究发现，相关成果论文北京时间12日凌晨在国际学术期刊《科学》在线发表。

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。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，直接颠覆了“深下地幔几乎不含水”的传统认识。

研究团队指出，本研究突破两大技术挑战：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。

研究团队先是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，随后利用先进分析平台和科技手段，发展出一系列原创性微纳尺度痕量水分析新方法。在此基础上，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。

团队进一步构建岩浆海洋结晶模型显示，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个至1个现代全球海洋的总水量。

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”，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46亿年前被封存于地球“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。

编辑：赵柄楠