中国科学家在《科学》发表论文揭示地球深处可能埋藏“原始水库”

抖音推荐 2025年12月15日 01:52 1 cc

中国科学家在《科学》杂志发表的最新研究揭示，地球深部地幔可能封存着相当于现代海洋体积数倍的原始水资源。

这一发现不仅改写了人们对地球水储存机制的认知，更揭示了地球从火热岩浆海洋转变为适宜生命居住蓝色星球的关键过程。

由中国科学院广州地球化学研究所杜志学教授领衔的研究团队，通过模拟地球形成初期的极端环境，发现地幔主要矿物布里奇曼石在超高温条件下具有惊人的储水能力，这为理解行星宜居性演化提供了全新视角。

逆向思维破解地球水之谜

46亿年前的地球与今日的温和气候截然不同。频繁的天体撞击将整个星球变成一片沸腾的岩浆海洋，表面温度高达数千摄氏度，液态水根本无法存在。长期以来，科学界普遍认为地幔深处的矿物储水能力有限，地球早期的水主要以蒸汽形式存在于原始大气中，或在漫长地质历史中逐渐从外太空补充。但这一传统观点无法完全解释地球为何拥有如此丰富的水资源，以及水从何时开始在地表聚集形成海洋。

研究团队采用了突破性的实验方法。他们利用自主研发的超高压装置，将实验温度推升至4100摄氏度，远超以往研究的温度范围，成功模拟了早期岩浆海洋结晶过程。实验结果令人震惊：布里奇曼石这种构成地幔一半以上体积的主要矿物，其储水能力随温度升高而显著增强，在极端高温下的锁水能力比此前估计值高出5到100倍。这一发现彻底颠覆了传统认知，原来越热的环境，矿物反而越能有效捕获和储存水分子。

研究团队的模拟显示，当岩浆海洋逐渐冷却结晶时，布里奇曼石像微型"储水容器"一样，将大量水分锁定在固体地幔中。这个过程使得下地幔成为固体地球中最大的水库，储水量可能相当于现代海洋总量的0.08到1倍。这意味着地球内部可能隐藏着一个与地表海洋规模相当的"地下海洋"，而这些水源自地球形成之初，是真正的原始水库。

深层水循环塑造宜居地球

这些被封存在地幔深处的水并非永久沉睡。它们在地球演化过程中扮演着至关重要的动态角色，就像地质引擎的"润滑剂"，深刻影响着地球的内部活动和表面环境。水的存在显著降低了地幔岩石的熔点和粘度，使得地幔物质更容易流动，从而驱动板块构造运动。板块构造是地球区别于其他岩质行星的独特特征，它不仅塑造了地表地貌，还通过俯冲带将地表物质带入深部，形成物质和能量的全球循环。

更重要的是，深部储存的水通过火山活动逐渐释放回地表。在地球历史早期，随着岩浆活动的频繁发生，地幔中的水以水蒸气形式被"泵送"到大气中，冷凝后形成降雨，最终汇聚成原始海洋。这个被称为"深层水循环"的过程，将地球内部与表面紧密连接起来。研究表明，在现代地质时期，俯冲带会将海洋水带入地幔深处，但火山活动释放的水量与俯冲带输入的水量之间存在微妙平衡，这种动态平衡维持了地表海洋的相对稳定。

科学界对地幔水循环的认识不断深化。近年来研究发现，地幔转换带等特殊区域可能储存着大量水分，一些含水矿物能够在特定压力和温度条件下稳定存在。而此次中国科学家的研究进一步证实，下地幔在地球形成早期就已经成为主要的水库，为后续的水循环提供了"初始资本"。这种从内部向外部的水输送过程，对于原始大气和海洋的形成至关重要。

重新理解行星宜居性

这项研究的意义远超地球科学本身，它为理解行星如何从熔融状态演化为宜居世界提供了新的理论框架。在太阳系形成早期，包括地球在内的岩质行星都经历过岩浆海洋阶段。封存在地球深部的原始水资源，可能正是地球最终发展出海洋和生命的关键因素。相比之下，火星虽然也曾拥有液态水，但由于质量较小、缺乏全球性板块构造，无法维持长期的水循环，最终失去了大部分水资源。

这一发现对于寻找系外宜居行星也具有启示意义。天文学家在评估系外行星的宜居性时，通常关注其是否位于恒星的"宜居带"内，以及是否拥有大气层。但内部水储存和深层水循环可能同样重要。一颗行星即使初始阶段表面干燥炎热，只要内部储存了足够的水资源，随着冷却和地质活动，仍有可能演化出宜居环境。

科学家指出，地球的成功并非偶然，而是多种因素共同作用的结果：合适的质量维持了内部热量和地质活动，板块构造促进了物质循环，深部储存的原始水则为海洋形成提供了持续的供给。这种"内外兼修"的模式，可能是岩质行星演化为宜居世界的普遍路径。

未来的研究将继续探索地球深部水循环的细节，包括不同矿物在极端条件下的储水机制、水在地幔中的迁移路径，以及深层水循环对地球长期气候演化的影响。随着探测技术和实验方法的进步，人类对地球深部的认识将更加深入，这不仅有助于理解我们脚下这颗星球的历史，也为寻找宇宙中其他宜居世界点亮了一盏明灯。从火热炼狱到生机盎然的蓝色星球，地球深处那些沉睡46亿年的"水的火花"，或许正是生命诞生的最初礼物。