“地球的水從何而來”是一個由來已久的謎，這對于理解生命是如何出現以及地球內部動力學是如何隨時間演化至關重要。

日前，南開大學物理科學學院李含飛博士、董校副教授及其合作者對這個重要科學問題給出了新的思路。相關論文“Ultrahigh-PressureMagnesiumHydrosilicatesasReservoirsofWaterinEarlyEarth”1月21日發表在物理學頂尖期刊《PhysicalReviewLetters》（《物理評論快報》）上，并被列為編輯精選（Editor’sSuggestion）。物理成果報道雜志《Physics》特邀為其撰寫專題文章。

目前，關于水的起源有兩個爭議的觀點：一是“地獄起源說”：水來自于地球深處，即地球在吸積期獲得了大量的水，并儲藏與地球內部；二是“天堂起源說”：在地球形成后，富水隕石轟炸提供了大量的水。

最近，越來越多的證據支持第一種假設。氘/氫（D/H）比被認為是水起源的指紋，提供了一個有力的證據：地球深部地幔的D/H比很低，接近于早期地球的基本組件頑輝石球粒隕石和原始太陽星云，遠低于彗星等太陽系外圍物質。這給地球內部的水可能直接來自原太陽星云提供了有力證據。

然而，這一假說存在相當大的問題。與其他行星材料如鐵、硅酸鹽相比，水的熔點和沸點要低得多，因此在新生地球的數千度的炙熱表面，水會被蒸發到太空中。由此可見，水只能存在于在地球新生吸積期儲存于地球內部深處，同時在新生地球演化到一定程度時將水釋放出來。然而這一過程中的物質存儲形式卻尚不明確。

董校副教授長期從事極端條件下水合物的設計以及物性預測的研究，通過第一性原理計算和結構預測方法，發現兩種新的水合硅酸鎂相在數百萬大氣壓穩定。其中，α?Mg2SiO5H2穩定在262–338GPa，β?Mg2SiO5H2338GPa以上穩定（對比如今核幔分界處的壓力為136GPa，地球中心的壓力為360GPa）。兩者結構上的區別為β?Mg2SiO5H2擁有首次預言的鎂離子9配位形式。進一步研究發現，兩者在高溫下都具有準一維質子擴散的超離子導體形式。

兩種Mg2SiO5H2的結構

第一性原理計算表明，在300GPa，α?Mg2SiO5H2和β?Mg2SiO5H2有非常高的密度和極高的含水量。其中Mg2SiO5H2含有11.4wt%的水，只略微少于δ?AlO2H和H相（MgSiO4H2）中約15wt%的含水量，高于大多數其他報道的水合硅酸鹽和氫氧化物的含水量。分子動力學計算預測，Mg2SiO5H2耐熱性遠好于其他含水礦物，在高達8000K的溫度下，也沒有融化的跡象。

含水硅酸鹽參與的早期地球演化過程

在早期地球內部，因為核幔尚未分離，硅酸鹽和過量的氧化鎂可能深入到地球內部深處，從而承受遠比現今更高的壓力，比如高于262GPa，而此時則可以以Mg2SiO5H2的形式儲存水分。

計算表明，理想狀態下早期地球內部以Mg2SiO5H2的形式可以儲存8倍現今海洋質量的水。而后隨著核幔分離的進行，鐵質核區逐漸長大，從而將硅酸鹽抬高并降低其所受壓力，從而迫使Mg2SiO5H2分解釋放水分。而釋放出的水分通過復雜的地球物理和化學過程返回地表，而此時，地表已經足夠冷卻能夠保證液態水的存在，形成原始海洋。而Mg2SiO5H2的分解產物，MgSiO3和MgO，它們仍然在下地幔發揮著重要作用。同時Mg2SiO5H2的發現對于人類認識其它類地行星，尤其是超級地球中的物質循環也具有重要意義。

綜上所述，該項工作填補了含水硅酸鹽體系在數百GPa壓力下物質存在形式的空白，開拓了早期地球水和輕元素循環的新視角，加深了人們對核幔分離過程中物質存在和循環過程的理解。

在同一期《PhysicalReviewLetters》中，南京大學的孫建教授發表了一個相關的體系H-Si-O并著重闡述了該體系中新發現的化合物在天王星、海王星等冰行星中的影響。《Physics》特邀為這兩篇工作撰寫了專題評論文章“MineralCandidatesforPlanetInteriors”，其中法國天文學家TristanGuillot評價“兩篇工作都是有重大潛在應用價值的創新工作”。

《PhysicalReviewLetters》是美國物理學會(AmericanPhysicalSociety)于1958年創辦的物理學綜合性期刊，屬于物理學頂級刊物，主要發表重要的物理研究成果。《Physics》為美國物理學會創辦的科學報道期刊，主要針對最新的重要科研成果進行報道，前身為《PhysicalReviewFocus》，在學界具有很大影響力。

該工作得到了國家自然科學基金、天津市自然科學基金、廣州超算中心、南開大學超算中心及其他相關基金資助或支持。