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(wú)法以液態(tài)存在，生命也無(wú)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(lái)“水之火種”？
中國(guó)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(duì)，最近在國(guó)際上首次通過(guò)高溫高壓實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在地球形成初期極端高溫的環(huán)境下，大量水分可通過(guò)礦物的結(jié)晶過(guò)程，被高效“鎖藏”于地幔深處。
本項(xiàng)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(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 供圖
這項(xiàng)地球深部研究的重大發(fā)現(xiàn)，更新了人類(lèi)關(guān)于地球深部水儲(chǔ)存與早期分布的認(rèn)知，并指示深部藏水可能是驅(qū)動(dòng)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(shí)間12月12日凌晨在國(guó)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(duì)介紹說(shuō)，地球早期的巖漿海洋在冷卻過(guò)程中，會(huì)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(guò)一半的主要礦物，它如同一個(gè)微觀的儲(chǔ)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(duì)低溫的實(shí)驗(yàn)條件，認(rèn)為布里奇曼石的儲(chǔ)水能力有限。在本項(xiàng)研究中，杜治學(xué)團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的高溫高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，成功將實(shí)驗(yàn)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(shí)。
實(shí)現(xiàn)系列突破
研究團(tuán)隊(duì)指出，本研究突破了兩大技術(shù)挑戰(zhàn)：一是在實(shí)驗(yàn)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(jí)實(shí)驗(yàn)樣品中，精準(zhǔn)捕捉含量低至萬(wàn)分之一級(jí)別的痕量水信號(hào)。
本項(xiàng)研究成果的相關(guān)示意圖。中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 供圖
研究團(tuán)隊(duì)先是自行搭建能實(shí)現(xiàn)激光加熱和高溫成像的金剛石壓腔實(shí)驗(yàn)裝置，成功模擬深部地幔條件，并精準(zhǔn)測(cè)定相平衡溫度，為揭示溫度對(duì)水分配的關(guān)鍵控制作用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還依托中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的先進(jìn)分析平臺(tái)，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(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所龍濤研究員團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究因此得以成功在微米級(jí)樣品中清晰識(shí)別出水分子的分布信號(hào)，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(duì)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(gè)固體地幔中最大的儲(chǔ)水層，其儲(chǔ)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(chǔ)存的水量，可能相當(dāng)于0.08至1個(gè)現(xiàn)代全球海洋的總水量。
研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室。中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 供圖
研究團(tuán)隊(duì)表示，深埋的水并非靜止的“庫(kù)存”，它如同地球這臺(tái)巨型地質(zhì)機(jī)器的“潤(rùn)滑劑”，能夠降低地幔巖石的熔點(diǎn)和黏度，促進(jìn)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)與板塊運(yùn)動(dòng)等重要地質(zhì)過(guò)程，賦予地球持續(xù)演化的活力。
他們認(rèn)為，隨著時(shí)間推移，深部水通過(guò)巖漿活動(dòng)等地質(zhì)過(guò)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(dòng)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)
【編輯:李太源】
