米兰官网-地球深部“锁水”之谜终被解开—新闻—科学网

地球为什么能孕育生命？水，无疑是解答这一谜题的焦点钥匙。地球上水的存于由表和里，是星球维持活气的要害。然而，地球深部水的漫衍环境及勾当汗青，一直是科学界的未解之谜。

12月12日凌晨，《科学》（Science）于线发表了中国科学院广州地球化学研究所研究员杜治学团队与互助者的最新结果。该团队初次经由过程高温高压试验证明，于地球形成早期极度高温情况下，海量水份可经由过程矿物结晶历程，被高效“锁藏”在地幔深处。这些水极可能是鞭策地球从岩浆炼狱改变为蓝色宜居星球的要害气力。

“这一发明不仅从头绘制了地球深部的水份布图景，更为理解地球深部水的赋存、轮回历程和行星宜居性的形成机制，提供了新的启迪。”论文通信作者杜治学对于《中国科学报》暗示。

地球初期演化与水之谜

地球初期演化是理解行星宜居性发源的要害窗口。正如鄙谚“三岁看年夜，七岁看老”所喻，地球于形成早期履历了星体撞击、地核分异及全世界性岩浆洋等庞大事务，这些事务奠基了其后续地质演化以致生命呈现的基础。

地球能成为太阳系中并世无双的蓝色宜居星球，水是要害因素之一。科学家已经知，当今地球内部（地幔及地核）贮存的水量可能远超地表海洋之及。这些水从何而来？主流料想认为，它们极可能自地球降生之初便已经存于。

46亿年前的地球，并不是一颗温柔的蓝色星球。频仍而猛烈的星体撞击使其外貌及内部均翻滚着灼热的岩浆，水没法以液态存于，整个星球犹如炼狱，是生命没法安身的绝境。于云云极度高温下，水这平生命演化的须要组分，怎样有用保留于地球内部？是一个持久未解决的科学问题。

地球初期的岩浆洋于冷却历程中，会结晶出固态矿物，逐渐形成地幔。此中，布里奇曼石是地幔中最早结晶且含量跨越一半的重要矿物，多是主要的“储水容器”。布里奇曼石的“锁水”能力（科学上称为“矿物与熔体间水份配系数”）直接决议了有几多水能从岩浆转入固态地球，但这一要害参数量前只能经由过程高温高压试验丈量。

论文第一作者、中国科学院广州地球化学研究所博士后卢文华向《中国科学报》注释：“假如把地球比作一个鸡蛋，人类今朝能直接不雅察到的岩石样本年夜多来自410千米深度之上的上地幔，仅相称在涉及‘接近蛋壳的蛋清’。对于在深部‘蛋清’及‘蛋黄’的研究需高度依靠试验模仿。”

于中国科学院、国度天然科学基金等资助下，研究团队经连续攻关给出倾覆性谜底：布里奇曼石“锁水”能力远比先前预计强，且随温度升高显著加强。这象征着，于地球初期更热的岩浆洋中，水不仅未被彻底摈除，反而被结晶矿物更高效捕捉及掩埋。

按照新发明纪律估算，研究团队认为，经由过程布里奇曼石结晶，地球深部地幔可能封存了高达相称在当今全世界海洋总水量（约1.4×1021公斤）的原始水。以往研究基在相对于低温试验前提，认为布里奇曼石储水能力有限。而杜治学团队使用自立研发的超高压试验模仿装配，将试验温度年夜幅晋升至约4100℃的极度高温。最新数据注解，矿物“锁水”能力随温度升高显著加强，直接倾覆了“深下地幔险些不含水”的传统熟悉。

艰巨卓绝的技能攻关

这一倾覆性认知的降生，源在研究团队用时5年多、直面两年夜技能难题的艰巨摸索。

第一个难题：复现地球深部的“炼狱”。2019年，杜治学回国后刻意从零搭建能模仿下地幔极度前提的激光加热金刚石压腔试验平台。该平台更像一个周详光学物理试验室，其搭建、调试及维护触及年夜量光学道理，性子上更靠近光学试验室。且试验设置常需按照差别科学方针定制优化装备，市道上无成熟贸易化体系可采购。

杜治学团队成员无专业光学配景，一切靠探索。卢文华回忆：“从理论进修、光路调试到体系集成，泯灭了年夜量血汗。”终极，他们乐成研制出海内领先平台，集成要害高温成像技能，为切确“复现”深部情况奠基基础。

第二个难题：于“灰尘”般巨细的样品里“秤”出痕量水。2021年，团队合成方针样品后，面对更年夜挑战：怎样测定直径仅数十微米（不足头发丝十分之一）、含量可能低至十万分比级另外水？其时国际上尚无乐成先例。团队与中国科学院广州地球化学研究所工程师杨亚楠互助，经重复探索，成立基在纳米离子探针的痕量水微区别析要领。

2022年3月凌晨，要害数据出炉，成果震动世人——布里奇曼石含水量及锁水能力远超预期。颠末具体的数据处置惩罚与模子构建，论文在2023年4月18日初次投稿，进入偕行评审。因为所采用的技能难度较高，其他团队短时间内难以复现，研究团队还有将论文预印本发布于开放平台Research Square。然而，历经近4个月的等候，他们在2023年8月18日收到了拒稿通知。

争议核心特别于在：高含水量是否来自纳米级富水包裹体的污染，而非真正溶在布里奇曼石晶格中的水。三位审稿人必定了研究的主要性，但质疑云云高的水含量是否来自样品中纳米级富水包裹体“污染”，而非真正进入晶格的水。

这是基在初期低温试验经验的合理质疑。只管团队认为于4100℃试验前提下富水包裹体不成能不变存于，但科学只认证据，仅凭理论推测难以使人信服——这也恰是科学严格而公道的地方。

为自证清白，杜治学团队将眼光投向具备原子级分辩率的原子探针技能，它能三维、纳米级可视化元素漫衍，包括氢。但该技能从未用在阐发高压试验样品。起色呈现于2023年末，团队与中国地质科学院地质研究所研究员龙涛团队互助挑战这一空缺。经数月攻关，乐成实现技能冲破。2024年6月，相干要领学结果以封面文章发表在《原子光谱学》（Atomic Spectroscopy）。

原子探针阐发成果给出要害性证据：布里奇曼石纯净度极高，未检测到任何富水包裹体。同时，团队借助所内鲜海洋副研究员成长的冷冻三维电子衍射技能，确认试验后矿物晶体布局无缺。证据链闭合，所有质疑被完全撤销。

2025年3月，杜治学团队将增补坚实新证据的论文投稿至《科学》，以无可争议的数据质量博得所有审稿人高度评价并患上以发表。审稿人认为，“研究于试验参数的节制上极其精彩，且所利用的试验及阐发要领也极其精妙。”“焦点发明和时破解了当前范畴因极度前提数据匮乏与成果抵牾所堕入的瓶颈，对于理解行星内部水份布至关主要。”“研究成果能激发广泛读者兴致，具备跨学科意义。”

深部“水库存”或者塑造宜居地球

论文配合通信作者杨亚楠暗示，该项事情的价值不仅于在患上出新结论，还有于在要领论冲破与启迪。团队并不是简朴借鉴已经有的研究要领，而是自立集成与创立一套笼罩“极度前提试验模仿-微区样品收受接管-高敏捷痕量阐发”的完备技能系统，将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能协同立异，霸占持久制约深部挥发分研究的技能瓶颈。

“于诸多前沿范畴，庞大科学熟悉刷新常是庞大技能冲破后‘迎刃而解’的成果。该项研究是技能驱动认知前进的范例，成立这一技能系统的意义可能逾越单一科学发明。”杜治学增补道。

基在新发明，团队构建岩浆洋结晶模子。模仿成果显示，因为初期高温下布里奇曼石强效锁水能力，岩浆洋凝集后，下地幔成为整个固体地幔中最年夜储水层，储水量可能高达此前模子预估的100倍。

深埋的水并不是静止“库存”，它犹如地球这台巨型地质呆板的“润滑剂”，能降低地幔岩石熔点及黏度，促成内部物资轮回与板块运动等主要地质历程，付与地球连续演化活气。跟着时间推移，深部水经由过程岩浆勾当等地质历程被逐渐“泵”回地表，介入形成原始年夜气及海洋。这股早于星球早期就被封存在地球“骨骼”中的“水之火种”，极可能恰是鞭策地球从岩浆炼狱改变为蓝色宜居星球的要害气力。

美国卡耐基科学研究所地球与行星试验室主任Micheal Walter于《科学》同期撰文评述道，“该研究为破解初期地球这段繁杂且多面的汗青谜团，补上了一块要害拼图。”

记者相识到，该研究不仅展现了地球深部可能隐蔽着“隐形海洋”的惊人图景，更彰显了中国科学家于深地前沿基础研究范畴的立异活气与攻坚精力。

对于在将来，团队视线坦荡。据吐露，杜治学团队规划借助本次成立的新要领系统，慢慢拓展研究对于象，体系摸索地球深部这个“隐秘王国”中各种挥发分的漫衍、轮回与演化纪律，更周全展现地球以致类地行星的内部动力学与宜居性演化之谜。

相干论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adx5883