地球的秘密海洋：46亿年前水在熔岩大火中幸存的过程
在一个微小的实验样本中探测水。图片来源：杜治学教授团队
（蜘蛛网eeook.com）据今日科学新闻：大约46亿年前，地球是一个无休止混乱的地方。小行星猛烈撞击其表面。气温骤升到足以融化岩石形成全球岩浆海洋。那里没有任何类似海洋甚至雨滴的东西能存活。如果水存在，也会被炸成蒸气并消失到太空中。然而如今，地球上三分之二以上的土地被蓝色覆盖。这种转变是如何发生的，至今仍是行星科学中最大的谜团之一。
由中国科学院广州地球化学研究所杜治学教授领导的一项新研究给出了一个惊人的答案。团队报告称，地球最早的水可能并非在地表存活，而是藏在地下深处——藏在随着地球冷却而结晶的矿物中。他们的发现发表在《科学》杂志上，重新构想了地球历史的最早篇章，揭示了埋藏在我们脚下数百公里深处的强大蓄水机制。
熔岩世界下的隐秘之井
几十年来，研究人员一直认为深地幔——尤其是下地幔——几乎完全干燥。之前的实验室实验似乎支持这一观点，显示桥石矿物——660公里以上深处的主要矿物——只能储存极少量的水分。
但这项新研究推翻了这一长期以来的观点。研究人员揭示，布里奇曼石可以像微观的“水容器”一样表现，比早期实验更有效地保持水分。关键是，它储存水分的能力似乎随着温度的增加而显著增加。早期地球非常非常热。
这意味着随着岩浆海开始凝固，深地幔中形成的桥状岩可能捕获了大量熔融内部的水分。据团队称，这种早期滞留的水可能在将地球从全球熔炉重塑为最终可能容纳海洋、大气和生命的世界中发挥了关键作用。
重现地球火焰深渊的实验
理解矿物在深地条件下的行为极具挑战性。下地幔承受着几乎无法在地表复现的压力和温度。早期实验受限于较低温度，可能严重低估了桥梁石的蓄水能力。杜教授的团队旨在在真正符合深地幔的条件下测试该矿物。
为此，他们设计了一个配备激光加热和高温成像的金刚石铁砧细胞实验——能够生成接近660公里以上深度的条件。他们自研的设备将温度推高至惊人的~4100°C，实现了极端环境中矿物行为的精确测量。
达到这些温度只是挑战的一半。在微观的桥梁石颗粒中检测水分——每粒都小于人发丝的十分之一——需要新的分析方法。团队使用了GIGCAS最先进的工具，包括低温三维电子衍射和NanoSIMS技术，这些技术足够灵敏，能够检测到仅几百百万分之一浓度的水。
他们还与中国地质科学院地质研究所的涛龙教授合作，应用了原子探针断层扫描（APT）。这些技术结合起来，就像矿物领域的超高分辨率化学CT扫描仪和质谱仪一样。它们使研究人员能够可视化单个矿物样品内的水分分布，并确认水不仅被困在裂缝中，而是在桥梁石本身中“结构性溶解”。
深地中一片巨大的、无形的海洋
利用这些工具，团队构建了早期地幔的全新图景。他们的实验显示，桥梁岩的水分分配系数——即其吸引和保持水分的能力——随温度急剧上升。换句话说，环境越热，矿物质能封存的水分越多。
借助这些测量数据，研究人员模拟了早期岩浆海的结晶过程。他们的模拟得出了一个惊人的结果：随着熔融地球冷却，深处的布里奇曼石成为整个固体地幔中最大的水库。他们估计，其储存容量可能比之前评估高出5倍到100倍。
在这一早期阶段，固体地幔中所容纳的总水量可能在所有现代海洋体积的0.08倍到1倍之间。这座埋藏在冷却地壳深处的巨大水资源，挑战了早期地球大部分水分流失或仅通过彗星或小行星获得水分的观点。相反，它表明地球原始水的很大一部分根本没有离开——它只是向内迁移并隐藏起来。
地球变革下的静谧引擎
这些水随着时间流逝发生了什么变化？答案指向一个缓慢的地质周期，这可能塑造了地球的整个演化过程。
被困在深地幔中的水不会保持静止。研究人员将其描述为行星内部引擎的“润滑剂”。通过降低地幔岩石的熔点和粘度，这些水为地幔对流和板块运动奠定了基础——这些过程驱动着火山活动、造山以及矿物在地壳中的循环利用。
随着地幔对流将物质向上循环，部分古老水会通过火山活动逐渐“泵送”回地表。数百万年间，这些释放的水促成了大气的形成和世界上第一批海洋的形成。科学家们将其描述为从一开始就封印在地球结构中的“水火花”——这火花最终点燃了从熔岩地狱向蓝色星球的转变。
为什么这一发现重要
理解地球水的来源不仅仅是地质学上的好奇心。它触及了行星科学中最根本的问题之一：荒芜的岩石如何演化成适宜居住的世界？
这项研究为这一转变提供了一条新的路径。通过证明桥曼石即使在地球最热的早期阶段也能储存和保存水分，这项研究为水如何在地球的暴力初期存活提供了有力的解释。它还将深层地幔重新定义为一个动态的水库，不再是干燥、惰性的层，能够储存和释放数十亿年的水。
这些见解重塑了我们对早期行星演化的理解，并凸显了深层内部过程与海洋、气候和生态系统形成的地表环境之间的隐秘联系。如果水从一开始就被锁定在地球结构中，那么生命起源的故事与地球内部建筑的故事紧密相连。通过这种方式，这项研究不仅揭示了新的科学机制，也揭示了地球最早身份的新叙事——即适居的种子早在第一个海洋形成之前就深植于熔融星球之中。
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
Michael Walter，《深地幔线索揭示地球水起源》，《科学》（2025年）。DOI： 10.1126/science.aed3351， www.science.org/doi/10.1126/science.aed3351
