地幔如何封锁了早期岩浆海洋中大量的水

（蜘蛛网eeook.com）据中国科学院：大约46亿年前，地球与我们今天所知的温柔蓝色星球截然不同。频繁且剧烈的天体撞击将其表面和内部搅成沸腾的岩浆海洋——极端到液态水无法存在，使整个星球宛如地狱般炽热。

由于地球表面现今有70%的面积被海洋覆盖，水如何在我们星球上从早期熔融状态到大部分固态的状态存活和保存的谜团，长期以来一直是科学研究的主题。

最近，由中国科学院广州地球化学研究所（GIGCAS）杜治学教授领导的研究团队发现，大量水在地幔从熔融状态结晶时，可以被高效地“封存”在地幔深处。

研究人员发表在《科学》杂志上的发现，正在重塑我们对地球深处水资源储存和分布的理解。具体来说，他们的研究揭示了，地幔中最丰富的矿物——布里奇曼石——具有微观的“水容器”作用——这使得早期地球在地幔凝固过程中能够保留大量水分。

团队认为，这种早期保留的水可能对将地球从炽热的地狱转变为适宜居住世界起到了关键作用。

此前依赖相对低温实验条件的研究表明桥梁石的蓄水能力有限。研究人员想要验证这一假说，但面临两个主要挑战。首先，他们需要在实验室模拟超过660公里深度的极端环境。其次，他们必须准确检测桥梁石样品中的水信号——有些样本宽度不到人类头发的十分之一——但浓度低至几百百万分之一。

他们通过建造配备激光加热和高温成像的钻石铁砧实验装置，克服了这些障碍。这款自研的超高压模拟装置极大地提高了实验温度——最高温度达到了约4100°C。该系统成功重现了深部地幔条件，并实现了平衡温度的精确测量，为理解温度在水被矿物吸收中的作用奠定了基础。

此外，研究人员利用GIGCAS的先进分析平台，应用了低温三维电子绕射和纳米SIMS等技术。他们与中国地质科学院地质研究所的陶龙教授合作，整合了原子探针断层扫描（APT）。

这些工具共同促成了微纳尺度水分析创新方法的发展，有效地为微观世界配备了超高分辨率化学CT扫描仪和质谱仪。这项技术使团队能够清晰地可视化微小样品中的水分分布，并确认水在桥梁岩中结构性溶解。

团队的数据显示，布里奇曼石的“水锁”能力（以水分系数衡量）随着温度升高显著增加。这意味着在地球最热的“岩浆海”阶段，结晶的桥曼岩可能保留的水分远超此前认为的，直接推翻了长期以来认为深层下地幔几乎干涸的观点。

基于这一发现，团队对岩浆海洋的结晶过程进行了建模。模拟显示，得益于布里奇曼岩在早期高温下的强水锁定能力，岩浆海凝固后，下地幔成为固体地幔中最大的水库。模型显示，其储存容量可能是早期估计的五到一百倍。早期固体地幔中保留的总水分甚至可能在现代海洋体积的0.08到1倍之间。

这深埋的水并非静态储藏。相反，它充当了地球庞大地质引擎的“润滑剂”：它降低了地幔岩石的熔点和粘度，促进了内部环流和板块运动，并为地球提供了持续的进化活力。随着时间推移，这些被封存的水通过岩浆活动逐渐“抽”回地表，促成了地球原始大气和海洋的形成。

研究人员指出，封印在地球早期结构中的“水火花”，很可能是将地球从岩浆地狱转变为我们今天所知的蓝色、适合生命的世界的关键力量。

更多信息：Wenhua Lu等人，地球深地幔早期保留的大量水分，Science（2025）。DOI：10.1126/science.adx5883。www.science.org/doi/10.1126/science.adx5883

（蜘蛛网eeook.com）据中国科学院广州地球化学研究所：46亿年前的地球，并非一颗温柔的蓝色星球，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，水无法以液态存在，整个星球如同炼狱，是生命无法立足的绝境。

北京时间12月12日凌晨3点，国际学术期刊《科学》（Science）在线发表了中国科学院广州地球化学研究所杜治学研究员领衔团队的重要成果。该研究首次通过高温高压实验证实：在地球形成初期的极端高温环境下，大量水分可通过矿物的结晶过程，被高效“锁藏”于地幔深处。这一发现更新了关于地球深部水储存与早期分布的认知，指示深部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。

地球早期的岩浆洋在冷却过程中，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”（图1），其“锁水”能力（即矿物/熔体水分配系数）直接决定了有多少水能从岩浆中转入固态地球。

图1 布里奇曼石从地球深部岩浆洋“锁水”的想象示意图 （AI生成）

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。然而，杜治学团队利用自主研发的“极端温压实验模拟装置”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：布里奇曼石的“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，这直接颠覆了“深下地幔几乎不含水”的传统认识。

要获得上述认识，研究团队面临两大挑战：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。

为此，研究团队搭建了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，并精准测定了相平衡温度，为揭示温度对水分配的关键控制作用奠定了坚实基础。

此外，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（NanoSIMS）等尖端手段，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（APT），发展出一系列原创性微纳尺度微量水分析新方法。犹如为微观世界配备了超高分辨的“化学CT”与“质谱仪”，得以成功在微米级样品中清晰识别出水的分布信号（图2），破译了布里奇曼石的“锁水”密码。

图2 实验样品的微纳米尺度表征

基于这一新发现，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的强效锁水能力，在岩浆洋凝固后，下地幔成为了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。

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。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（图3）。

图3 深部水从地球形成早期至今的演化图景

该研究由深地过程与战略矿产资源全国重点实验室杜治学研究员领衔开展，卢文华博士后为第一作者，杨亚楠工程师和李元研究员为共同通讯作者，合作者包括鲜海洋副研究员和中国地质科学院龙涛研究员。得益于中国科学院(XDB0840200；ZDBS-LY-DQC013；2021353)，国家自然科学基金委员会(42150102；42394112；41903017；42241158；42225302)，科技部(2022YFF0704900)，广东省基础与应用基础研究基金委员会(2025A1515011226)和中国博士后科学基金会(GZC20241732)的资助，本研究在实施过程中成功突破了系列高温高压实验与微纳米尺度水含量表征的关键技术瓶颈，将相关实验与分析测试技术的整体水平提升至国际先进行列，未来有望在深地挥发分行为的研究中取得更多突破。

深下地幔挥发分行为研究团队。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