地球为何能孕育生命？水，无疑是解答这一谜题的核心钥匙。然而，地球深部水的分布情况和活动历史，一直是科学界的未解之谜。

中国科学院广州地球化学研究所（以下简称广州地化所）研究员杜治学团队与合作者首次通过高温高压实验证实，在地球形成初期极端高温环境下，海量水分通过矿物结晶过程被高效“锁藏”于地幔深处。这些水很可能是推动地球从岩浆“炼狱”转变为蓝色宜居星球的关键力量。相关成果近日在线发表于《科学》。

“这一发现不仅重新绘制了地球深部的水分布图景，也为理解地球深部水的赋存、循环过程及行星宜居性的形成机制提供了新启示。”论文通讯作者杜治学对《中国科学报》表示。

地球早期演化与水之谜

科学家已知，现今地幔和地核储存的水量可能远超地表海洋之和。这些水从何而来？

46亿年前的地球，频繁而剧烈的星体撞击使其表面和内部均翻腾着炽热的岩浆。地球早期的岩浆洋在冷却过程中结晶出固态矿物，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，可能是重要的“储水容器”。布里奇曼石的“锁水”能力，在科学上被称为“矿物与熔体间水分配系数”，直接决定了有多少水能从岩浆转入固态地球。这一关键参数目前只能通过高温高压实验测量。

论文第一作者、广州地化所博士后卢文华向《中国科学报》解释：“如果把地球比作一个鸡蛋，人类目前能直接观察到的岩石样本大多来自410公里深度的上地幔，仅相当于触及‘靠近蛋壳的蛋清’。对于深部‘蛋清’和‘蛋黄’的研究，则高度依赖实验模拟。”

研究团队经持续攻关给出颠覆性答案——布里奇曼石“锁水”能力远比先前估计的强，且随温度升高显著增强。这意味着，在地球早期更热的岩浆洋中，水不仅未被完全驱逐，反而被结晶矿物更高效地捕获和掩埋。

根据新发现的规律估算，通过布里奇曼石结晶，地球深部地幔可能封存了相当于现今全球海洋总水量（约1.4×1021千克）的原始水。以往研究基于相对低温实验条件，认为布里奇曼石储水能力有限。而研究团队利用自主研发的超高压实验模拟装置，将实验温度大幅提升至约4100摄氏度的极端高温。最新数据表明，矿物“锁水”能力随温度升高显著增强，直接颠覆了“深下地幔几乎不含水”的传统认知。

艰苦卓绝的技术攻关

这一颠覆性认知的问世，源于研究团队历时5年多、直面两大技术难题的艰难探索。

第一个难题是复现地球深部的“炼狱”。2019年杜治学回国后，决心从零搭建能模拟下地幔极端条件的激光加热金刚石压腔实验平台。该平台更像一个精密光学物理实验室，而团队成员无专业光学背景，一切靠摸索。卢文华回忆：“从理论学习、光路调试到系统集成，耗费了大量心血。”最终，他们成功研制出国内领先平台，集成关键高温成像技术，为精确复现深部环境奠定基础。

第二个难题是在“尘埃”大小的样品里“称”出痕量水。2021年，团队合成目标样品后，面临更大挑战——如何测定直径仅数十微米、不足头发丝的1/10，含量可能低至十万分比级别的水？当时国际上尚无成功先例。杜治国团队与广州地化所工程师杨亚楠合作，经反复摸索，建立了基于纳米离子探针的痕量水微区分析方法。

2022年3月，关键数据出炉，布里奇曼石含水量和锁水能力远超预期。经过详细的数据处理与模型构建，团队于2023年4月18日首次投稿，却在4个月的等待后收到了拒稿通知。3位审稿人肯定了研究的重要性，但质疑如此高的水含量是否来自样品中纳米级富水包裹体“污染”，而非真正进入布里奇曼石晶格的水。

这是基于早期低温实验经验的合理质疑。尽管团队认为在4100摄氏度实验条件下富水包裹体不可能稳定存在，但科学只认证据，仅凭理论推测难以令人信服。

为“自证清白”，杜治学团队将目光投向具有原子级分辨率的原子探针技术。该技术能实现元素分布的三维、纳米级可视化，包括氢，但从未用于分析高压实验样品。2023年底，团队与中国地质科学院地质研究所研究员龙涛团队合作，成功实现技术突破。2024年6月，相关方法学成果以封面文章发表于《原子光谱学》。

原子探针分析结果给出关键性证据——布里奇曼石纯净度极高，未检测到任何富水包裹体。同时，团队借助广州地化所副研究员鲜海洋开发的冷冻三维电子衍射技术，确认实验后矿物晶体结构完好。证据链闭合，所有质疑被彻底打消。今年3月，研究团队将补充翔实新证据的论文投至《科学》，赢得所有审稿人的高度评价。

深部“水库存”可能塑造宜居地球

论文共同通讯作者杨亚楠表示，这项工作的价值不仅在于得出新结论，还在于方法论的突破与启示。团队自主集成并创建一套覆盖“极端条件实验模拟-微区样品回收-高灵敏痕量分析”的完整技术体系，实现激光加热金刚石压腔、纳米离子探针、原子探针、冷冻三维电子衍射等尖端技术协同创新，攻克长期制约深部挥发分研究的技术瓶颈。

“在诸多前沿领域，重大科学认识刷新常常是重大技术突破后‘水到渠成’的结果。该研究是技术驱动认知进步的典范，建立这一技术体系的意义可能超越单一科学发现。”杜治学补充说。

基于新发现，团队构建了岩浆洋结晶模型。模拟结果显示，由于早期高温下布里奇曼石强效的锁水能力，岩浆洋凝固后，下地幔成为整个固体地幔中最大储水层，储水量可能是此前模型预估的100倍。

深埋的水并非静止“库存”，而是地球这台巨型地质机器的“润滑剂”，能降低地幔岩石熔点和黏度，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。这一早在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。

美国卡耐基科学研究所地球与行星实验室主任Micheal Walter在《科学》同期撰文评述道：“该研究为破解早期地球这一复杂且多面的历史谜团，补上了一块关键拼图。”

该研究不仅揭示了地球深部可能有“隐形海洋”的图景，更彰显了中国科学家在深地前沿基础研究领域的创新活力与攻坚精神。未来，团队计划借助此次建立的新方法体系，逐步拓展研究对象，系统探索地球深部这个“隐秘王国”中各类挥发分的分布、循环与演化规律，更全面揭示地球乃至类地行星的内部动力学与宜居性演化之谜。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adx5883

（原载于《中国科学报》 2025-12-17 第1版 要闻）