碳、氫、氧、氮、硫及其化合物均是揮發(fā)性物質(zhì)，它們主導(dǎo)著地球宜居表面之上薄而脆弱的大氣圈、水圈和生物圈。然而，絕大多數(shù)揮發(fā)物隱藏在地球深部，其中的高溫高壓條件極大而徹底地改變了揮發(fā)物的物理和化學(xué)性質(zhì)。猶如生物的血液一樣，地球深部揮發(fā)物的循環(huán)和相互作用調(diào)節(jié)著氣候、礦產(chǎn)、能源、自然災(zāi)害，以及其他使地球成為蘊含生命并仍在演進的獨特行星的各種因素。在過去的46億年中，深部揮發(fā)物一直在改變和調(diào)節(jié)著大氣和海洋的化學(xué)成分與溫度，從而控制和調(diào)節(jié)著生命的出現(xiàn)、進化和滅絕。同樣，它們未來的行為和演化將影響我們?nèi)祟惖拿\。更深入地了解深部揮發(fā)物將提高我們預(yù)測其影響、規(guī)劃經(jīng)濟發(fā)展和保護環(huán)境的能力。2018國際工程科技高端論壇——地球深部揮發(fā)物與能源環(huán)境（DVEES2018）從四個科學(xué)領(lǐng)域——極端條件下的物理和化學(xué)、儲層和流動、深部能源與深部生命等角度探討了地球深部揮發(fā)物的議題，并包括計算研究、極端壓力下的碳和氫，以及下地幔礦物物理等相關(guān)議題。本期深地物質(zhì)與能源專題包含了所有這些領(lǐng)域的貢獻。討論了國際深碳觀測組織（DCO）的科學(xué)家近十年來在研究地球上碳的物理、化學(xué)和生物作用方面的重要發(fā)現(xiàn)。以往對全球碳循環(huán)的絕大多數(shù)研究都集中在地球表面或附近的一小部分碳。與之相比，DCO的使命是了解地球的整個碳循環(huán)，包括地球深部的絕大多數(shù)碳。DCO提供了解決大規(guī)模、跨學(xué)科和國際科學(xué)問題的新模式。對天然樣品的現(xiàn)場考察和分析研究揭示了對深部揮發(fā)物的基本限定。在本專題中，論證了鈣、鎂、鋅等穩(wěn)定同位素在解釋板塊俯沖過程中海相碳酸鹽的命運方面具有巨大潛力，這對研究深部碳循環(huán)有著深遠的意義。以往，玄武巖中的鈣、鎂和鋅同位素異常被認為是由于地殼碳酸鹽循環(huán)進入地幔源區(qū)所致；然而，評估了其他潛在同一方向的同位素分餾過程就像碳酸鹽循環(huán)所預(yù)示的那樣。描述了大型、超深油氣資源，討論了油氣來源和成藏方法。新的地震采集與處理技術(shù)在對超深油氣藏的高精度和高分辨率地震成像探測方面取得了突破，使超深油氣資源得以發(fā)現(xiàn)。描述了深古菌的代謝特征，它是地球上最豐富的微生物之一，廣泛分布在包括地球深部生物圈在內(nèi)的各種熱液環(huán)境中。通過祖系和比較基因組分析，馮曉遠等揭示了深古菌門的熱環(huán)境起源。天然金剛石是在高溫高壓條件下形成的，是一種獨特的深部信使。金剛石具有無與倫比的強度，就像一個堅硬的膠囊，它能截留流體和固體包裹體，并保留了它們形成條件的很有價值的信息。描述了蛇綠巖中的微金剛石和其他高壓相，為探測深部地幔中的碳循環(huán)提供了新的窗口。含蛇綠巖的金剛石以輕碳同位素組成為特征，這被解釋為地表衍生有機物循環(huán)進入地幔的證據(jù)。報道，來自俄羅斯Yakutia的烏達奇納亞（Udachnaya）石油管道中的金剛石、石榴石和橄欖石中的某些流體包裹體，主要含有較高級的碳氫化合物（戊烷到十六烷）及其衍生物，這表明這些碳氫化合物是一些地幔流體的主要成分。隨著深度的增加，天然樣品變得越來越罕見，超過700km的深度完全無法獲得。實驗研究和中心設(shè)施的儀器研發(fā)對于我們早日理解深部物質(zhì)和能源至關(guān)重要。描述了在地球深部的壓力-溫度條件下，利用同步輻射原位高壓多晶X射線衍射技術(shù)探測多相體系的獨特能力。這種強大的技術(shù)能夠在金剛石對頂砧中對多個物相組合中的單個晶粒進行強有力的晶相識別和結(jié)構(gòu)測定。將該技術(shù)應(yīng)用于一系列重要問題研究，如在百萬巴（1bar=0.1MPa）壓力下探測含鐵布里奇曼石（Bridgmanite）的分解、識別(Fe,Al)OOH中的六方含水相（HH），以及(Mg,Fe)SiO3

后鈣鈦礦（pPv）和賽石英（SiO2

）的晶體結(jié)構(gòu)測定等。證明在極端條件下，將納米X射線透射顯微技術(shù)（nanoTXM）與金剛石對頂砧技術(shù)結(jié)合，為極端條件下的材料高空間分辨率、非破壞三維成像創(chuàng)造了令人興奮的機會。例如，研究結(jié)果表明，原位高壓nanoTXM技術(shù)可用于確定材料的狀態(tài)方程，而這用同步輻射X射線衍射或微米級的X射線斷層掃描技術(shù)是難以表征的。報道了使用碳化鎢壓砧的Kawai型多面頂壓機在產(chǎn)生高壓方面的突破，它可以提供比金剛石對頂砧壓機大三個數(shù)量級的樣品。這些學(xué)者已經(jīng)將該設(shè)備產(chǎn)生的壓力提高至65GPa，比之前的紀(jì)錄高出2.5倍多。研究表明，地球和材料科學(xué)中許多突出的問題將受益于三種方法的進步和整合：實驗熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)研究和計算方法。這些方法的整合開始提供對復(fù)雜固體中穩(wěn)定性和反應(yīng)活性的新理解，并應(yīng)用于極端條件下的礦物和行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究。介紹了在俯沖帶條件下纖維蛇紋石碳化的實驗結(jié)果，這提高了我們對蛇紋石礦物在深部碳循環(huán)中的作用的理解。描述了高壓下銅-氫（Cu-H）體系的結(jié)構(gòu)研究，該體系在儲氫方面有重要應(yīng)用。計算研究和數(shù)據(jù)科學(xué)補充了其他研究深部物質(zhì)和能源的方法。描述了研究極端條件下材料化學(xué)和輸運特性的第一原則方法。他提供了廣泛的地質(zhì)應(yīng)用，包括：地核富鐵鹵化物的穩(wěn)定性，為缺失鹵素的悖論提供了一個潛在的解決方案；在地幔條件下，二氧化碳和二氧化硅的化學(xué)行為；上地幔中水的形成；碳酸鈣熔體的黏度；以及方鎂石的熱導(dǎo)率等。建立的大型和不斷增長的數(shù)據(jù)資源正迎來一個數(shù)據(jù)驅(qū)動礦物學(xué)發(fā)現(xiàn)的新時代。新數(shù)據(jù)驅(qū)動方法包括礦物演化、礦物生態(tài)學(xué)和礦物學(xué)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析在內(nèi)的各種方法解決了礦物在空間和時間上的分布和多樣性問題。這些策略有助于加深對礦物共生的理解，并有助于預(yù)測地球上尚未發(fā)現(xiàn)的礦物種類。最近的高壓-高溫實驗和理論研究表明，下地幔底部（深度超過1800km）到內(nèi)地核（深度為5280km），受到完全不同于外殼層的化學(xué)和物理作用的控制：鐵能裂解水，使地核-地幔邊界成為巨大的氫發(fā)生器和氧庫。這種持久的氫源，加上氫與其他揮發(fā)物反應(yīng)形成氨、水和碳氫化合物，為生命和有機能源提供了必要的成分。這種氧庫作為核-幔邊界D′′層的地震異?？杀惶綔y到。這種氧庫積累到臨界飽和點，最終會導(dǎo)致氧爆發(fā)，為零星或周期性的全球災(zāi)難提供內(nèi)部機制。并對地質(zhì)歷史上的重大事件提出了統(tǒng)一的假設(shè)。在地球動力學(xué)上，氧的爆發(fā)為熱對流增加了化學(xué)超羽流的對流驅(qū)動力，并可能導(dǎo)