使地球變宜居的關(guān)鍵？地球上千公里深處，可能存在重要原始水儲庫

你能想象嗎，在地球上千里深處可能存在重要原始水儲庫，而這可能就是使地球變?yōu)橐司有乔虻年P(guān)鍵力量。這一觀點在科學界引發(fā)了廣泛爭議。一方面，傳統(tǒng)地質(zhì)學模型認為，受限于地表和淺層地幔，地球深部水含量有限；另一方面，近期實驗證據(jù)表明，下地幔中的礦物可能儲存海量水分，從而重塑我們對地球早期演化的認知。而這種礦物就是布里奇曼石。

布里奇曼石是什么？

布里奇曼石（Bridgmanite），化學式為（Mg,Fe）SiO?，是一種硅酸鹽礦物，以美國物理學家珀西·布里奇曼的名字命名。它是地球下地幔的主要組成礦物，約占下地幔體積的60%至80%。下地幔位于地殼以下約660公里至2900公里深處，在極端高壓（約23GPa至135GPa）和高溫（約2000℃至4000℃）條件下穩(wěn)定存在。

布里奇曼石的晶體結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型，具有高度的穩(wěn)定性和耐壓性，這使得它能夠在地球內(nèi)部承受巨大的應(yīng)力和溫度波動。作為地幔最早結(jié)晶的礦物之一，布里奇曼石在地球形成初期扮演著關(guān)鍵角色。46億年前，地球處于巖漿海洋階段，表面覆蓋著熾熱的熔融物質(zhì)。在此過程中，布里奇曼石從巖漿中結(jié)晶而出，形成固態(tài)地幔的骨架。其微觀結(jié)構(gòu)允許氫離子（作為水的主要成分）以點缺陷的形式融入晶格中，從而具備一定的“鎖水”能力。這種能力并非靜態(tài)，而是受溫度、壓力和化學環(huán)境影響。

傳統(tǒng)研究基于低溫實驗，認為布里奇曼石的含水量僅為數(shù)百ppm（百萬分之一），不足以構(gòu)成顯著水儲庫。然而，最新發(fā)現(xiàn)顯示，在更高溫度下，其儲水潛力可大幅提升。這一礦物的獨特屬性，使其成為連接地球深部與表層地質(zhì)過程的橋梁，影響著板塊構(gòu)造、火山活動和物質(zhì)循環(huán)。理解布里奇曼石的本質(zhì)，不僅有助于闡釋地球內(nèi)部動態(tài)，還為行星科學提供寶貴洞見，例如在其他行星如火星或系外行星中尋找類似礦物，以評估其宜居潛力。

為什么要做這項研究？

開展對布里奇曼石的研究源于對地球水起源和分布的長期困惑。地球作為太陽系中唯一已知宜居行星，其水資源是生命演化的基礎(chǔ)，但水從何而來？早期理論認為，水主要通過彗星和小行星撞擊輸送至地表。然而，這一模型無法解釋為什么地球內(nèi)部含有大量水同位素證據(jù)指向的原始水。

傳統(tǒng)實驗局限于相對低溫條件（通常低于2000℃），導致對布里奇曼石儲水能力的低估。例如，先前研究假設(shè)巖漿海洋冷卻過程中，水分主要揮發(fā)至大氣或保留在上地幔，忽略了下地幔的潛在作用。這種局限性源于技術(shù)挑戰(zhàn)：模擬地下660公里以上的極端環(huán)境需要國際領(lǐng)先的高溫高壓裝置。中國科學院廣州地球化學研究所的團隊正是為了填補這一空白而開展研究。他們自主研發(fā)的超高壓實驗平臺，能夠?qū)囟忍嵘良s4100℃，遠超以往實驗極限。

這一研究動因還源于更廣泛的科學需求。隨著氣候變化和資源危機加劇，理解地球深部水循環(huán)有助于預測地質(zhì)災(zāi)害，如地震和火山爆發(fā)。此外，在行星形成理論中，深部水儲庫可能解釋地球為何從荒蕪的巖漿世界轉(zhuǎn)型為藍色星球，而其他行星如金星則未能實現(xiàn)類似演化。研究布里奇曼石的“富水”機制，能揭示水如何從巖漿中轉(zhuǎn)移至固態(tài)礦物，從而更新地球早期水分布模型。簡而言之，這項研究不是孤立的礦物學探索，而是為了解答地球宜居性的核心謎題，推動地質(zhì)學從表層向深部的范式轉(zhuǎn)變。

做這個實驗有什么意義？

這項高溫高壓實驗的意義在于，它不僅證實了布里奇曼石在極端條件下具有顯著的富水能力，還為地球演化提供了新視角。實驗結(jié)果顯示，礦物的水分配系數(shù)隨溫度升高而增強，在巖漿海洋階段，布里奇曼石能“捕獲”遠超預期的水分，儲水量可能高達先前模型的5至100倍，相當于0.08至1個現(xiàn)代全球海洋總量。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)認知，表明下地幔是固體地球中最大的水儲庫。

更關(guān)鍵的是，這些深部水并非“惰性庫存”，而是地球地質(zhì)機器的“核心潤滑劑”：它能降低地幔巖石的熔點和黏度，促進地幔對流和板塊運動，而這些過程直接驅(qū)動大陸漂移、海洋形成和大氣演化。從宜居性角度看，這一發(fā)現(xiàn)解開了地球的“宜居轉(zhuǎn)型之謎”：46億年前的地球本是生命絕境，頻繁撞擊導致表面沸騰，但深部水的儲存與漸進釋放，可通過火山活動“泵”回地表，孕育出原始海洋和大氣，奠定生命演化的基礎(chǔ)。

實驗意義還延伸至多個領(lǐng)域：在行星科學中，為系外行星搜索提供了指導（評估類似礦物的水儲存潛力可判斷行星宜居性）；在應(yīng)用層面，推動了高溫高壓模擬技術(shù)的突破，為材料科學（如高壓礦物在能源存儲中的應(yīng)用）提供新方向；更引發(fā)了對人類未來的深層思考——資源枯竭時代，深部水是否可能成為潛在水源？盡管目前技術(shù)無法直接開采，但理解其循環(huán)機制對可持續(xù)地質(zhì)管理至關(guān)重要。

結(jié)語

綜上所述，布里奇曼石作為地球深部水儲庫的核心載體，其研究揭示了從巖漿海洋到藍色星球的轉(zhuǎn)型奧秘。這一發(fā)現(xiàn)雖仍引發(fā)科學界爭議，卻為地球科學提供了全新的研究范式。值得深思的是：如果深部水是地球宜居的關(guān)鍵力量，那么人類活動對地質(zhì)平衡的干擾，將如何影響這一古老而脆弱的機制？在積極探索宇宙宜居行星的同時，我們或許更應(yīng)珍惜并保護這顆藍色家園的內(nèi)在活力，確保其永續(xù)演化。