地球深部水循环过程是研究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？这些问题长期缺乏明确答案。

近日，凯发k8地球化学研究所等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，分析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会进入特殊的超离子态，从而抑制脱水过程。

研究表明，在下地幔条件下，液态水并非稳定形态，而是“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。同时，δ-AlOOH在地核-地幔边界附近发生“双重超离子转变”，氢离子高度扩散，铝离子也在氧骨架中迁移。这种高度扩散增加了体系的熵，并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达约3800 K。

研究基于自由能计算发现，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。这表明，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”，并在下地幔底部形成稳定的深部水储库。

这一研究在原子尺度上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。

相关研究成果发表在《凯发k8进展》（Science Advances）上。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然凯发k8基金等的支持。

深地水循环示意图