Nature：地球与行星的水，或源自早期内部的反应

地球水的起源问题，长久以来是理解类地行星宜居性的关键。传统模型认为，形成于太阳星云“雪线”内侧的原始地球是贫挥发分的，其现今水资源主要依赖后期外源性物质（如碳质球粒陨石或彗星）的增生补给，即“外源说”（如“后期薄层”模型）。然而，这一假说面临挑战：它难以解释地球深部地幔储库乃至地核中可能存在的显著氢含量，同时将地球宜居性的形成归因于偶然的撞击事件。近年来，新的证据推动了对“内源”机制的重视。例如，对顽火辉石球粒陨石（EC）的地球化学分析表明，其本身含有可观的氢，并且同位素特征与地幔匹配，提示了内源性贡献的重要性（Piani et al., 2020; Thomassin et al., 2023; Barrett et al., 2025；图1）。

图1 地球水的可能来源（Peslier, 2020）

自2009年NASA的开普勒（Kepler）太空望远镜升空以来，人们发现的太阳系外行星已突破6000颗。其中，银河系中最为普遍的是大小为1-4个地球半径的行星，其统计分布呈现双峰形态：1-1.5个地球半径的被称为“超级地球”（Super-Earths），而2-4个地球半径的被称为“亚海王星”（Sub-Neptunes）。行星动力学演化表明，这些行星的早期普遍经历了一个富氢大气包层的阶段，其最终命运由大气逃逸过程决定：保有包层成为亚海王星，或失去包层成为超级地球（Gupta and Schlichting, 2019；图2）。这启示原始地球同样可能是被浓厚氢气大气包裹的行星，也为地球水来源问题提供给了一个独特的视角（Young et al., 2023）。

图2 （a）银河系中太阳系外行星的统计分布；（b）行星演化早期的普遍结构模型：深灰色的为包含石质幔与金属核的“core”圈层，灰色的为气体包层，浅灰色的为辐射层。（Gupta and Schlichting, 2019）

基于该结构模型，Young et al. (2023)通过热力学计算表明，一个拥有氢气包层和岩浆洋的原始地球，通过内部高温高压下的化学反应，能够高效地将氢气转化为水，同时显著改变地幔的氧化还原状态，并将硅、氧、氢等轻元素输送至地核，从而以一种自洽的方式同时解释了地球的总水量、地幔氧逸度、地核密度亏损等多项观测约束（图3）。

图3 原始地球的演化：阶段1，高温酝酿形成氢气包层；阶段2，完成氢气包层，并伴随核幔分异；阶段3，氢气与硅酸盐及金属核反应，最后形成地球的水、地幔氧逸度和地核密度亏损（Young et al., 2023）

Young et al (2023)提出的模型虽然简单优雅，但要用原始氢气包层来解释地球水来源和相关问题，仍然缺乏直接的实验约束，特别是在数十万个大气压和数千度的极端条件下，氢气与硅酸盐熔体（岩浆洋）的反应机制与效率，实验上面临诸多巨大挑战。最近发表于Nature的两项研究，成功地取得了突破性进展（Horn et al., 2025; Miozzi et al., 2025）。

两项研究均采用激光加热金刚石压腔（LHDAC）技术，模拟类地行星岩浆洋内部的高温高压环境（10–60 GPa，＞3000 K）。在此条件下开展实验面临一个共同的核心挑战：如何在高压氢气氛围中将样品加热至熔融并完成反应，同时避免氢扩散导致金刚石压砧发生“氢脆”而破裂失效。对此，两个团队选择了不同的技术路径予以解决。总体而言，Horn 等人的工作侧重于在极端条件下实现反应本身，而 Miozzi 等人的工作则聚焦于对反应产物进行精细分析，两者在方法上形成了有效互补。

Horn et al. (2025) 重点发展了脉冲激光加热方案：他们采用了每次持续仅1微秒的极短激光脉冲对样品进行加热，通过数万次脉冲的累积，在金刚石因氢脆发生严重损坏前，成功实现了样品在高压H₂环境下的完全熔融与充分反应。这种方法有效规避了长时间连续加热带来的技术风险。同时，作者利用先进的高能同步辐射X射线衍射技术，监测高温高压下的化学反应过程，实现对淬火、卸压后不稳定产物的原位表征（图4）。

图4 在氢介质中对硅酸盐熔体进行的激光加热金刚石压砧实验（Horn, et al., 2025）。a.实验装置示意图。在激光加热（中心的红色区域）硅酸盐样品期间，氢穿过样品箔的晶界，并在热传导作用下对样品上下区域进行同步加热；b.铁橄榄石样品两个激光加热区域的扫描电子显微镜图像。加热区域中心的球状物为氢-硅酸盐反应形成的富铁合金；c.样品局部反应后的广角扫描电子显微镜图像；d.在氢介质中加热二氧化硅与铁金属后，水分子的拉曼活性OH振动峰

Miozzi et al. (2025) 则着力于高温高压实验后的精细样品回收与原位分析。他们在实验后，利用聚焦离子束（FIB）技术对实验产物进行微纳加工制备，并运用纳米二次离子质谱（NanoSIMS）技术，对淬火后的样品截面进行高空间分辨率（纳米尺度）的元素与同位素成像分析。这使得他们能够直接观察反应产物的微观分布并定量测定氢含量（图5）。

图5 样品电子与离子图像（Miozzi et al., 2025）。a. 在聚焦离子束（FIB）铣削过程中采集的样品两侧扫描电子显微镜（SEM）图像。红线标示样品轮廓。晶化熔体中广泛存在纳米级气泡；b. 利用纳米二次离子质谱仪（NanoSIMS）对样品局部（SEM图像中白框区域）采集的氢与硅元素分布图。虚线为视觉引导线：红色标示样品边界，白色为部分晶化固体区域，蓝色对应富铁泡状物后方区域。色条表示各像素点对应质量数的信号强度

尽管技术路径不同，两项研究获得了相互印证的结果：

（1）水的高压生成与溶解度：实验直接证实了H₂与硅酸盐熔体组分会发生氧化还原反应，生成H₂O。Miozzi et al. (2025) 的定量分析显示，即便在淬火至常压后，熔体玻璃中仍保留了高达5-6 wt%的水，表明在高温高压岩浆洋条件下熔体对H（及由此衍生的H₂O）的溶解能力远超基于低压数据的外推估计。Horn et al. (2025) 根据其实验结果进一步推算，一个与H₂包层充分反应的全球性岩浆洋，其整体水质量分数甚至可达16–29 wt%，足以解释地球乃至一些“水世界”行星的水库存。

（2）非传统挥发分生成与金属相还原：Horn et al. (2025) 的研究发现，在极端还原条件下，H₂能深度破坏硅酸盐网络，生成硅烷（SiH₄）。与此同时，FeO被还原为金属铁合金，并与被还原出的硅结合。这为行星金属核中轻元素（如Si、H）的来源提供了一个直接的实验机制。

（3）反应微观结构的直接观测：Miozzi et al. (2025) 的NanoSIMS图像清晰揭示了淬火样品中存在的纳米级气泡和散布的富铁金属液滴，这些是高压下FeO还原和H₂O生成过程的直接微观记录。

这两项工作的重要意义在于，它们为“早期行星可通过内部化学反应自生水”这一理论提供了来自极端条件实验的直接物理化学证据，标志着相关研究从理论建模迈入实验实证阶段。

然而，将微观实验尺度上的反应，推广到行星全球尺度的演化过程，仍存在重大的动力学不确定性。例如：Modirrousta‐Galina and Korenaga (2025) 指出，反应生成的贫铁、富硅酸盐熔体可能在岩浆洋顶部形成稳定的“成分盖层”，抑制H₂向深部渗透，从而可能降低全球尺度的反应效率；其次，生成的水可能优先以蒸汽形式脱气进入大气，并随原始H₂包层一起被剥离，而非有效滞留于星球内部；此外，H2-岩浆洋的反应是一个平衡反应，在原始H2包层被剥离后，行星整体将变得更加氧化，这可能会导致岩浆洋内的H2O与还原性物质发生逆反应，改变行星内部H（或H2O）的原有含量和分布。因此，未来研究需深入探究此类反应的全球尺度动力学、水的有效运移与滞留机制，并寻求其在地球与系外行星观测中的证据，方能更完整地揭示地球与行星内部水的起源与归宿。

主要参考文献

Barrett T J, Bryson J F J, Geraki K. The source of hydrogen in earth's building blocks[J]. Icarus, 2025, 436: 116588.

Gupta A, Schlichting H E. Sculpting the valley in the radius distribution of small exoplanets as a by-product of planet formation: the core-powered mass-loss mechanism[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2019, 487(1): 24-33.

Horn H W, Vazan A, Chariton S, et al. Building wet planets through high-pressure magma–hydrogen reactions[J]. Nature, 2025, 646(8087): 1069-1074.

Miozzi F, Shahar A, Young E D, et al. Experiments reveal extreme water generation during planet formation[J]. Nature, 2025, 648(8094): 551-555.

Modirrousta‐Galian D, Korenaga J. On the efficacy of ocean formation with a primordial hydrogen atmosphere[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2025, 130(8): e2024JE008786.

Peslier A H. The origins of water[J]. Science, 2020, 369(6507): 1058-1058.

Piani L, Marrocchi Y, Rigaudier T, et al. Earth’s water may have been inherited from material similar to enstatite chondrite meteorites[J]. Science, 2020, 369(6507): 1110-1113.

Thomassin D, Piani L, Villeneuve J, et al. The high-temperature origin of hydrogen in enstatite chondrite chondrules and implications for the origin of terrestrial water[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2023, 616: 118225.

Young E D, Shahar A, Schlichting H E. Earth shaped by primordial H2 atmospheres[J]. Nature, 2023, 616(7956): 306-311.

（撰稿：张志刚，黄圣轩/地球与行星物理学科中心）