地球深部水循环过程是认知地球演化和宜居性形成的关键。传统观点认为，俯冲板块携带的水在进入深部地幔过程中会因高温而逐步脱水释放。然而，地球最深处的水究竟以何种形态存在、是否仍会发生脱水反应，一直缺乏明确认识。
近日，中国科学院地球化学研究所与贵州师范大学研究人员联合国内外合作者，通过第一性原理分子动力学与深度学习势分子动力学模拟，系统研究了地球下地幔尤其是核幔边界条件下含水矿物与水的热力学稳定性。研究发现，在极端高压高温条件下，水及关键含水矿物δ-AlOOH会进入一种特殊的超离子态，从而显著抑制脱水过程。这一成果发表于国际学术期刊 Science Advances。
研究表明，在下地幔条件下，液态水并非稳定形态，而是会“冻结”为具有超离子特征的冰相，其中氢离子在晶格中呈现类液体扩散行为。与此同时，δ-AlOOH在地核-地幔边界（约140 GPa、3800 K）附近发生“双重超离子转变”，不仅氢离子高度扩散，铝离子也在氧骨架中迁移。这种高度扩散显著增加了体系的熵，从而在热力学上稳定了晶体结构，使其熔点在核幔边界条件下仍可高达约3800 K（图1）。
图1：AlOOH和H2O高温高压下（60-160 GPa与1500-4500 K）相图，超离子态转变增加了含水相的稳定性，使得AlOOH和H2O在下地幔（橙色为地温曲线）以超离子态形式存在。
基于自由能计算，研究团队进一步发现，δ-AlOOH在深地幔条件下的脱水反应在热力学和动力学上均不利。由于水以超离子冰形式存在，传统意义上的“脱水—释水”机制难以发生。这意味着，地球早期存在或俯冲带入下地幔的部分水可能在地球深部长期“冰封”，在下地幔底部形成稳定的深部水储库（图2）。
图2：深地水循环示意图：随着深度的变化，水的赋存状态依次经历羟基结合态（以共价键为主要作用形式）— 对称离子化态（离子键主导）— 超离子态（质子呈无序分布特征） 的转变过程。
该研究从原子尺度揭示了水的物态对深部脱水过程的控制作用，为理解地球深部水循环、核幔边界不均一结构成因提供了新的机制，也为探索地球早期水的保存方式和深部水循环开辟了新的研究方向。
相关研究成果已于近期发表在《Science Advances》期刊上，该研究得到国家重点研发项目（2024YFF0807500）和基金委原创探索专项（42350002）等项目的资助。
（关键矿产室 何宇/供稿）