在地球科学领域，挥发分是一类引人瞩目的特殊物质。它们主要由氢（H）、氧（O）、碳（C）、氮（N）、硫（S）、卤素（如F、Cl等）及惰性气体元素（如He、Ar等）构成，具有活跃的化学性质，易于转化为气态或流体状态。这些物质在地球各圈层中快速循环、始终贯通，宛如地球的"血液"，成为连接不同圈层的重要媒介。

地球从早期炽热如地狱般的星球，逐渐演变为今日圈层分明、生机勃勃的宜居行星，挥发分的循环在这一过程中扮演了不可替代的角色。例如，碳循环调控全球气候，平衡温度变化；水循环（氢与氧的结合）不仅与生命起源密切相关，还影响油气资源的形成；氧循环维持生命体的呼吸与代谢活动；而硫循环则深刻影响海洋生态系统并参与矿产形成。可以说，地球的宜居特性与深部动力驱动的挥发分循环紧密相连。

然而，关于地球挥发分的诸多基本问题至今仍未得到充分解答。挥发分的起源是什么？传统观点认为，早期地球缺乏挥发分，现今观察到的主要来自后期陨石或彗星的“补充”；但最新研究发现，顽火辉石球粒陨石中可能蕴含丰富的氢，这暗示地球在形成初期可能已经携带“水分”。此外，地球深部究竟储存了多少挥发分？它们如何参与并记录地球的演化历程？又与人类赖以生存的资源和能源有何内在联系？要解答这些问题，人们仍需对挥发分的来源、分布与循环机制进行更为深入的研究。

针对上述科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所一支富有活力的青年科研团队正在对地球系统挥发分演化及其资源环境效应开展系统性研究。该研究围绕以下三个核心方向深入探索：

1.来源与分布：地球挥发分的起源与储库在哪里？ 深入探究地球初始挥发分的来源，并揭示在核幔分异这一关键过程中，大量轻元素如何迁移并保存于地核之中。这些基础认识将有助于科学界全面把握地球挥发分的总体含量及其主要储库分布。

2.循环与变革：挥发分的深部循环如何推动地表环境发生重大转变？ 研究聚焦于板块俯冲这一地质关键过程，阐明挥发分如何被携带至地球深部，又通过怎样的机制随岩浆活动返回地表。团队尤其关注这种深部循环机制如何触发了地球历史上具有里程碑意义的“大氧化事件”。

3.富集与效应：挥发分如何主导资源形成与全球气候变化？ 重点解析挥发分在成矿过程中的核心作用，特别是它们如何促进金属元素的迁移与富集，最终形成斑岩铜矿等具有重要经济价值的超大型矿床。同时，研究也关注火山喷发等地质过程释放的挥发分对全球气候系统的影响机制。

图1 “地球系统挥发分演化及其资源环境效应”的主要研究内容

目前，该团队在上述领域已取得了一系列关键认识与突破：

1.在挥发分来源与深部储库方面，获得了地球深部水的多维度证据

（1）地核成分新解：利用第一性原理计算与机器学习等新方法，发现地核是氢的最大储库，氢元素在内外核之间的分配与氧含量密切相关，外核可能同时富集氢和氧，而氧会驱动氢反向富集于内核。这为厘定地核中轻元素含量提供了全新约束。

（2）地球水来源新线索：对陨石中磷酸盐矿物的分析，首次发现了一种新的富水相（水含量高达0.9-1.8 wt.%），其氢同位素组成与地幔高度相似。这为“地球水可能源自其构建原料本身”的观点提供了新的证据。

（3）月壤中的太阳风印记：通过对嫦娥五号月壤样品的精细研究，发现其中的撞击玻璃珠是储存“太阳风成因水”的重要储库，且其储水能力受成分控制。这说明太阳风可以为类地行星提供可观的水“源”，为揭示类地行星水的来源提供了新方向。

（4）深部储库的地震学探测：通过分析全球上万条地震波记录，获得了全球下地幔的一维平均散射模型，正进一步构建其三维散射强度分布。这将为揭示下地幔的物质成分和含水情况提供关键地震学约束。

2.在挥发分循环与地表增氧方面，揭示了碳汇聚与释放的关键控制机制

（1）俯冲带的“碳过滤器”：研究发现，俯冲带上部的沉积物如同一个“过滤器”，能扣押20-50%的碳，阻止其直接进入地幔。这解释了为何火山释放的碳通量常低于俯冲带入的碳通量，深化了对全球碳循环收支的理解。

（2）深部碳的释放机制：明确了俯冲的白云岩在高压下通过“取代+溶解”的双重机制高效脱碳（可脱去67-84%的CO₂）。在大陆碰撞带，发现伸展型裂谷是深部碳释放的主要通道。这些研究为准确估算地质历史上的碳通量奠定了基石。

（3）石墨与氧气的博弈：在华北西部的古老岩石中，发现了与“大氧化事件”相关的碳同位素正向漂移现象和大量石墨矿，指示了大量有机碳埋藏。这些既是增氧事件的“结果”，也加剧了地表增氧规模，为理解表生碳循环和大气增氧提供了关键线索。

3.在挥发分资源与环境效应方面，确证了其“幕后推手”角色

（1）成矿作用的催化剂：证实水在（超）基性岩相关岩浆的熔融与演化过程至关重要，而F、Cl等卤素则主导了长英质岩浆体系中金属元素的搬运。对斑岩型矿床的研究进一步揭示，氯络合物是铜等成矿物质运输的关键载体，而水岩反应则导致矿物沉淀。

（2）地热资源的驱动者：针对青藏高原，研究人员提出了“缝合带和裂谷双重控热+局部断裂控水”地热成因新模型，为地热勘探提供了理论指导。揭示了俯冲大陆板片对深部挥发分循环过程的关键控制作用。

（3）气候环境的调节器：通过研究古代大型火山喷发（如日本7.3千年前的鬼界火山），证实其释放的硫酸气溶胶可直达北极冰盖并在东亚造成显著降温，精准揭示了火山挥发分对全球气候的短期冲击效应。

（4）风化碳循环的平衡者：一项反直觉的发现是，青藏高原隆升虽然增强了硅酸盐风化（消耗CO₂），但其伴生的黄铁矿氧化产酸，也大幅促进了碳酸盐风化（释放CO₂），后者抵消了前者约58%的固碳量。这为理解构造运动对长尺度碳循环的复杂影响提供了定量证据。

未来，研究团队将围绕以下几个方向继续深入：

1.深化挥发分的“源-汇”定量研究：重点构建地核等深部储库挥发分含量的定量模型，并综合利用天体化学、实验岩石学和数值模拟，精确厘定地球各圈层的挥发分收支，从根本上回答“有多少、从哪来”的问题。

2.聚焦挥发分循环的“过程”与“通量”：研究人员将着力刻画挥发分在俯冲带中的迁移路径、相变行为与释放效率，建立从矿物尺度到全球尺度的循环通量模型，特别是厘清不同构造背景（如大陆俯冲 vs. 大洋俯冲）下碳、水、硫循环的差异。

3.拓展挥发分与资源环境关联的“机制”研究：未来将更侧重于揭示挥发分控制关键金属（如钴、锂）超常富集的具体化学机制，并量化深部挥发分释放对长尺度气候演变（如温室期-冰室期转换）的驱动作用和反馈机制。

4.推动学科交叉与技术融合：研究团队将强化地球物理探测、深部物质模拟、大数据分析与传统地质学的融合，发展挥发分原位分析新技术，力争在深部储库识别、循环过程模拟和资源环境效应评估等方面取得新的突破。

地球挥发分的研究，是一条贯穿地球46亿年历史的“生命线”。它连接着最深邃的内部动力与最广阔的表生环境，既关乎人类对行星演化的基础认知，也直接对接国家在“双碳”目标、能源资源安全和防灾减灾等方面的重大战略需求。可以期待，通过持续探索，研究团队将更清晰地解读这部由地球“血液”书写的壮丽史诗。