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地球深部水循環(huán)過程是研究地球演化和宜居性形成的關鍵。傳統觀點認為，俯沖板塊攜帶的水在進入深部地幔過程中會因高溫而逐步脫水釋放。然而，地球最深處的水究竟以何種形態(tài)存在？是否仍會發(fā)生脫水反應？這些問題長期缺乏明確答案。

近日，中國科學院地球化學研究所等通過第一性原理分子動力學與深度學習勢分子動力學模擬，分析了地球下地幔尤其是核幔邊界條件下含水礦物與水的熱力學穩(wěn)定性。研究發(fā)現，在極端高壓高溫條件下，水及關鍵含水礦物δ-AlOOH會進入特殊的超離子態(tài)，從而抑制脫水過程。

研究表明，在下地幔條件下，液態(tài)水并非穩(wěn)定形態(tài)，而是“凍結”為具有超離子特征的冰相，其中氫離子在晶格中呈現類液體擴散行為。同時，δ-AlOOH在地核-地幔邊界附近發(fā)生“雙重超離子轉變”，氫離子高度擴散，鋁離子也在氧骨架中遷移。這種高度擴散增加了體系的熵，并在熱力學上穩(wěn)定了晶體結構，使其熔點在核幔邊界條件下仍可達約3800 K。

研究基于自由能計算發(fā)現，δ-AlOOH在深地幔條件下的脫水反應在熱力學和動力學上均不利。由于水以超離子冰形式存在，傳統意義上的“脫水—釋水”機制難以發(fā)生。這表明，地球早期存在或俯沖帶入下地幔的部分水可能在地球深部長期“冰封”，并在下地幔底部形成穩(wěn)定的深部水儲庫。

這一研究在原子尺度上揭示了水的物態(tài)對深部脫水過程的控制作用，為理解地球深部水循環(huán)、核幔邊界不均一結構成因提供了新機制，也為探索地球早期水的保存方式和深部水循環(huán)開辟了新的研究方向。

相關研究成果發(fā)表在《科學進展》（Science?Advances）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等的支持。

深地水循環(huán)示意圖