地球为何能孕育生命？水，无疑是解答这一谜题的核心钥匙。地球上水的存在由表及里，是星球维持活力的关键。然而，地球深部水的分布情况和活动历史，一直是科学界的未解之谜。

12月12日凌晨，《科学》（Science）在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合作者的最新成果。该团队首次通过高温高压实验证实，在地球形成初期极端高温环境下，海量水分可通过矿物结晶过程，被高效“锁藏”于地幔深处。这些水很可能是推动地球从岩浆炼狱转变为蓝色宜居星球的关键力量。

“这一发现不仅重新绘制了地球深部的水分布图景，更为理解地球深部水的赋存、循环过程及行星宜居性的形成机制，提供了新的启示。”论文通讯作者杜治学对《中国科学报》表示。

杜治学（左）与卢文华在实验室调试超高压实验模拟装置。研究团队供图，下同

地球早期演化与水之谜

地球早期演化是理解行星宜居性起源的关键窗口。正如俗语“三岁看大，七岁看老”所喻，地球在形成初期经历了星体撞击、地核分异和全球性岩浆洋等重大事件，这些事件奠定了其后续地质演化乃至生命出现的基础。

地球能成为太阳系中独一无二的蓝色宜居星球，水是关键因素之一。科学家已知，现今地球内部（地幔和地核）储存的水量可能远超地表海洋之和。这些水从何而来？主流猜想认为，它们很可能自地球诞生之初便已存在。

46亿年前的地球，并非一颗温柔的蓝色星球。频繁而剧烈的星体撞击使其表面和内部均翻腾着炽热的岩浆，水无法以液态存在，整个星球如同炼狱，是生命无法立足的绝境。在如此极端高温下，水这一生命演化的必要组分，如何有效保留在地球内部？是一个长期未解决的科学问题。

地球早期的岩浆洋在冷却过程中，会结晶出固态矿物，逐渐形成地幔。其中，布里奇曼石是地幔中最早结晶且含量超过一半的主要矿物，可能是重要的“储水容器”。布里奇曼石的“锁水”能力（科学上称为“矿物与熔体间水分配系数”）直接决定了有多少水能从岩浆转入固态地球，但这一关键参数目前只能通过高温高压实验测量。

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》解释：“如果把地球比作一个鸡蛋，人类目前能直接观察到的岩石样本大多来自410公里深度之上的上地幔，仅相当于触及‘靠近蛋壳的蛋清’。对于深部‘蛋清’和‘蛋黄’的研究需高度依赖实验模拟。”

布里奇曼石从地球深部岩浆洋“锁水”的想象示意图 （AI生成）。

在中国科学院、国家自然科学基金等资助下，研究团队经持续攻关给出颠覆性答案：布里奇曼石“锁水”能力远比先前估计强，且随温度升高显著增强。这意味着，在地球早期更热的岩浆洋中，水不仅未被完全驱逐，反而被结晶矿物更高效捕获和掩埋。

根据新发现规律估算，研究团队认为，通过布里奇曼石结晶，地球深部地幔可能封存了高达相当于现今全球海洋总水量（约1.4×10²¹千克）的原始水。以往研究基于相对低温实验条件，认为布里奇曼石储水能力有限。而杜治学团队利用自主研发的超高压实验模拟装置，将实验温度大幅提升至约4100℃的极端高温。最新数据表明，矿物“锁水”能力随温度升高显著增强，直接颠覆了“深下地幔几乎不含水”的传统认识。

艰难卓绝的技术攻关

这一颠覆性认知的诞生，源于研究团队历时5年多、直面两大技术难题的艰难探索。

第一个难题：复现地球深部的“炼狱”。2019年，杜治学回国后决心从零搭建能模拟下地幔极端条件的激光加热金刚石压腔实验平台。该平台更像一个精密光学物理实验室，其搭建、调试和维护涉及大量光学原理，性质上更接近光学实验室。且实验设置常需根据不同科学目标定制优化设备，市面上无成熟商业化系统可采购。

深下地幔挥发分行为研究团队。从左至右：王婉颖、卢文华、杜治学、李俊威。

杜治学团队成员无专业光学背景，一切靠摸索。卢文华回忆：“从理论学习、光路调试到系统集成，耗费了大量心血。”最终，他们成功研制出国内领先平台，集成关键高温成像技术，为精确“复现”深部环境奠定基础。

第二个难题：在“尘埃”般大小的样品里“秤”出痕量水。2021年，团队合成目标样品后，面临更大挑战：如何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别的水？当时国际上尚无成功先例。团队与中国科学院广州地球化学研究所工程师杨亚楠合作，经反复摸索，建立基于纳米离子探针的痕量水微区分析方法。

2022年3月凌晨，关键数据出炉，结果震惊众人——布里奇曼石含水量和锁水能力远超预期。经过详细的数据处理与模型构建，论文于2023年4月18日首次投稿，进入同行评审。由于所采用的技术难度较高，其他团队短期内难以复现，研究团队还将论文预印本发布在开放平台Research Square。然而，历经近4个月的等待，他们于2023年8月18日收到了拒稿通知。

争议焦点尤其在于：高含水量是否来自纳米级富水包裹体的污染，而非真正溶于布里奇曼石晶格中的水。三位审稿人肯定了研究的重要性，但质疑如此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。

实验样品的微纳米尺度表征。

这是基于早期低温实验经验的合理质疑。尽管团队认为在4100℃实验条件下富水包裹体不可能稳定存在，但科学只认证据，仅凭理论推测难以令人信服——这也正是科学严酷而公正之处。

为自证清白，杜治学团队将目光投向具有原子级分辨率的原子探针技术，它能三维、纳米级可视化元素分布，包括氢。但该技术从未用于分析高压实验样品。转机出现在2023年底，团队与中国地质科学院地质研究所研究员龙涛团队合作挑战这一空白。经数月攻关，成功实现技术突破。2024年6月，相关方法学成果以封面文章发表于《原子光谱学》（Atomic Spectroscopy）。

原子探针分析结果给出关键性证据：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发展的冷冻三维电子衍射技术，确认实验后矿物晶体结构完好。证据链闭合，所有质疑被彻底打消。

2025年3月，杜治学团队将补充坚实新证据的论文投稿至《科学》，以无可争议的数据质量赢得所有审稿人高度评价并得以发表。审稿人认为，“研究在实验参数的控制上极为出色，且所使用的实验和分析方法也极为精妙。”“核心发现及时破解了当前领域因极端条件数据匮乏与结果矛盾所陷入的瓶颈，对理解行星内部水分布至关重要。”“研究结果能引发广泛读者兴趣，具有跨学科意义。”

深部水从地球形成早期至今的演化图景。

深部“水库存”或塑造宜居地球

论文共同通讯作者杨亚楠表示，该项工作的价值不仅在于得出新结论，还在于方法论突破与启示。团队并非简单借鉴已有的研究方法，而是自主集成与创建一套覆盖“极端条件实验模拟-微区样品回收-高灵敏痕量分析”的完整技术体系，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术协同创新，攻克长期制约深部挥发分研究的技术瓶颈。

“在诸多前沿领域，重大科学认识刷新常是重大技术突破后‘水到渠成’的结果。该项研究是技术驱动认知进步的典范，建立这一技术体系的意义可能超越单一科学发现。”杜治学补充道。

基于新发现，团队构建岩浆洋结晶模型。模拟结果显示，由于早期高温下布里奇曼石强效锁水能力，岩浆洋凝固后，下地幔成为整个固体地幔中最大储水层，储水量可能高达此前模型预估的100倍。

深埋的水并非静止“库存”，它如同地球这台巨型地质机器的“润滑剂”，能降低地幔岩石熔点和黏度，促进内部物质循环与板块运动等重要地质过程，赋予地球持续演化活力。随着时间推移，深部水通过岩浆活动等地质过程被逐渐“泵”回地表，参与形成原始大气和海洋。这股早在星球初期就被封存于地球“骨骼”中的“水之火种”，很可能正是推动地球从岩浆炼狱转变为蓝色宜居星球的关键力量。

2022年3月31日，实验样品水含量分析结束后，卢文华与杨亚楠（右）在离开纳米离子探针实验室前合影（因实验室当时外围为施工区域，故佩戴了安全帽）。

美国卡耐基科学研究所地球与行星实验室主任Micheal Walter在《科学》同期撰文评述道，“该研究为破解早期地球这段复杂且多面的历史谜团，补上了一块关键拼图。”

记者了解到，该研究不仅揭示了地球深部可能隐藏着“隐形海洋”的惊人图景，更彰显了中国科学家在深地前沿基础研究领域的创新活力与攻坚精神。

对于未来，团队视野开阔。据透露，杜治学团队计划借助本次建立的新方法体系，逐步拓展研究对象，系统探索地球深部这个“隐秘王国”中各类挥发分的分布、循环与演化规律，更全面揭示地球乃至类地行星的内部动力学与宜居性演化之谜。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adx5883