大约46亿年前，地球与我们今天看到的宁静蓝色世界截然不同。来自太空的反复剧烈撞击使地球表面和内部处于动荡的熔融状态。地球大部分区域被全球性的岩浆海洋覆盖，温度极端到液态水无法存在。这颗年轻行星更接近于一个熊熊燃烧的熔炉，而非能够承载海洋或生命的地方。
然而如今，海洋覆盖了地球表面约70%。水如何从这种熔融的早期阶段，历经过渡而存留于这颗基本固化的行星之上，这一直是困扰科学家的谜题，并驱动了数十年的研究。
水藏匿于行星深处
由中国科学院广州地球化学研究所的杜治学教授领导的一项近期研究提出了新的解释。该团队发现，在地球从熔融岩石冷却结晶的过程中，大量水可能被储存在地幔深处。
他们的研究成果于12月11日发表在《科学》杂志上，正在改变科学家对地球深处储水方式的认识。研究人员表明，地幔中最丰富的矿物布里奇曼石，其功能类似于一个微观的“水容器”。这种能力可能使得早期地球在固化过程中，能够将大量水捕获并封存在地表之下。
根据该团队的说法，这个早期的水库可能在地球从一个充满敌意、炽热的世界转变为能够支持生命的世界的过程中，发挥了关键作用。
极端条件下的储水测试
早期的实验表明，布里奇曼石只能容纳极少量的水。然而，这些研究是在相对较低的温度下进行的。为了重新审视这个问题，研究人员必须克服两大障碍。他们需要重现地球表面以下660多公里处的巨大压力和温度，并且必须检测矿物样品中极其微量的水痕——有些样品比人类头发直径的十分之一还薄，且含水量仅为百万分之几百。
为了应对这些挑战，该团队建造了一个结合激光加热和高温成像的金刚石压砧系统。这套定制装置使他们能够将温度推高至约4100°C。通过再现深部地幔条件并精确测量平衡温度，研究人员得以探索热量如何影响矿物吸收水的方式。
先进工具揭示隐藏的水
利用广州地球化学研究所的先进分析设施，科学家们应用了包括低温三维电子衍射和纳米二次离子质谱在内的技术。在与中国地质科学院地质研究所的龙涛教授合作中，他们还结合了原子探针断层扫描技术。
这些方法共同作用，如同微观世界的超高分辨率“化学CT扫描仪”和“质谱仪”。这种方法使团队能够绘制水在微小样品内部的分布图，并确认水是以结构溶解的形式存在于布里奇曼石本身之中。
比预期湿润得多的深部地幔
实验揭示，布里奇曼石捕获水的能力（以其水分配系数衡量）在更高温度下急剧增加。在地球最炽热的岩浆海洋阶段，新形成的布里奇曼石可能储存的水量远超科学家以往的认知。这一发现挑战了下地幔几乎完全干燥的长期假设。
利用这些结果，该团队模拟了地球岩浆海洋的冷却和结晶过程。他们的模拟表明，由于布里奇曼石在极端高温下储水效率极高，在岩浆海洋冷却后，下地幔成为了固体地球内部最大的水库。模型显示，这个水库的规模可能比早期估计大5到100倍，总水量范围相当于现今海洋体积的0.08到1倍。
深层水如何塑造地球演化
这些深藏的水并非简单地被困住。相反，它充当了地球内部引擎的“润滑剂”。通过降低地幔岩石的熔点和粘度，水帮助驱动了内部环流和板块运动，为地球提供了长期的地质能量。
在漫长的岁月里，其中一部分水通过火山和岩浆活动缓慢地返回地表。这个过程促进了地球早期大气和海洋的形成。研究人员认为，这深埋的“水之火花”，可能是将地球从熔融地狱转变为今天我们熟知的、蓝色且适宜生命存在的行星的决定性因素。
