中新網(wǎng)北京12月12日電 (記者 孫自法)46億年前的地球，因頻繁而劇烈的星體撞擊使其地表與內(nèi)部翻騰著熾熱的巖漿海洋，水無法以液態(tài)存在，生命也無法立足。這種環(huán)境下，地球如何為生命起源和延續(xù)保存下來“水之火種”？
中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所杜治學(xué)研究員領(lǐng)銜團(tuán)隊，最近在國際上首次通過高溫高壓實驗證實：在地球形成初期極端高溫的環(huán)境下，大量水分可通過礦物的結(jié)晶過程，被高效“鎖藏”于地幔深處。
本項研究中布里奇曼石從地球深部巖漿洋“鎖水”的想象示意圖(圖片由AI生成)。中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 供圖這項地球深部研究的重大發(fā)現(xiàn)，更新了人類關(guān)于地球深部水儲存與早期分布的認(rèn)知，并指示深部藏水可能是驅(qū)動地球從熾熱煉獄轉(zhuǎn)變?yōu)橐司有乔虻年P(guān)鍵力量。相關(guān)成果論文，北京時間12月12日凌晨在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)在線發(fā)表。
顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知
研究團(tuán)隊介紹說，地球早期的巖漿海洋在冷卻過程中，會結(jié)晶出固態(tài)礦物，逐漸形成地幔。其中，布里奇曼石是地幔中最早結(jié)晶、且含量超過一半的主要礦物，它如同一個微觀的儲水容器，其“鎖水”(水分配系數(shù))能力直接決定有多少水能從巖漿中轉(zhuǎn)入固態(tài)地球。
以往研究基于相對低溫的實驗條件，認(rèn)為布里奇曼石的儲水能力有限。在本項研究中，杜治學(xué)團(tuán)隊利用自主研發(fā)的高溫高壓實驗?zāi)M裝置，成功將實驗溫度大幅提升至約4100℃的極端高溫。最新數(shù)據(jù)表明：礦物的“鎖水”能力隨溫度升高而顯著增強(qiáng)。
這意味著，在地球最熾熱的“巖漿洋”階段，正在結(jié)晶的布里奇曼石反而能夠“捕獲”并封存遠(yuǎn)超以往想象的海量水分，從而直接顛覆了“深下地幔幾乎不含水”的傳統(tǒng)認(rèn)識。
實現(xiàn)系列突破
研究團(tuán)隊指出，本研究突破了兩大技術(shù)挑戰(zhàn)：一是在實驗室模擬深度超地下660公里的極端環(huán)境；二是在不足頭發(fā)絲直徑十分之一的“微塵”級實驗樣品中，精準(zhǔn)捕捉含量低至萬分之一級別的痕量水信號。
本項研究成果的相關(guān)示意圖。中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 供圖研究團(tuán)隊先是自行搭建能實現(xiàn)激光加熱和高溫成像的金剛石壓腔實驗裝置，成功模擬深部地幔條件，并精準(zhǔn)測定相平衡溫度，為揭示溫度對水分配的關(guān)鍵控制作用奠定堅實基礎(chǔ)。
同時，研究團(tuán)隊還依托中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的先進(jìn)分析平臺，利用冷凍三維電子衍射、納米二次離子質(zhì)譜等尖端科技手段，并結(jié)合中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所龍濤研究員團(tuán)隊的原子探針斷層掃描技術(shù)，發(fā)展出一系列原創(chuàng)性微納尺度痕量水分析新方法。
這一系列分析技術(shù)突破，猶如為微觀世界配備了超高分辨的“化學(xué)CT”與“質(zhì)譜儀”，本項研究因此得以成功在微米級樣品中清晰識別出水分子的分布信號，破譯了布里奇曼石的“鎖水”密碼。
具有深遠(yuǎn)意義
基于這次研究的新發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊構(gòu)建了巖漿海洋結(jié)晶模型，模擬結(jié)果顯示，由于地球早期高溫下布里奇曼石的強(qiáng)效“鎖水”能力，在巖漿海洋凝固后，下地幔成為整個固體地幔中最大的儲水層，其儲水量可能高達(dá)此前模型預(yù)估的5倍至100倍。據(jù)估算，早期固體地幔中儲存的水量，可能相當(dāng)于0.08至1個現(xiàn)代全球海洋的總水量。
研究團(tuán)隊代表(從左至右依次為王婉穎博士后、盧文華博士后、杜治學(xué)研究員、李俊威博士后)在實驗室。中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 供圖研究團(tuán)隊表示，深埋的水并非靜止的“庫存”，它如同地球這臺巨型地質(zhì)機(jī)器的“潤滑劑”，能夠降低地幔巖石的熔點和黏度，促進(jìn)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)與板塊運動等重要地質(zhì)過程，賦予地球持續(xù)演化的活力。
他們認(rèn)為，隨著時間推移，深部水通過巖漿活動等地質(zhì)過程被逐漸“泵”回地表，參與形成原始大氣和海洋。這股早在46億年前的星球初期就被封存于地球“骨骼”中的“水之火種”，很可能正是推動地球從巖漿煉獄轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色宜居星球的關(guān)鍵力量。(完)