地球曾經是一個水球嗎？地表水的前世今生，水所經歷的奇妙旅程

研究表明，地幔之中儲存著大量的礦物和水。

簡介：研究表明地球表面可能曾經被水完全淹沒，科學家認為地球的整個地幔可以容納了地球表面海洋所含水量的2.3倍。

一個巧妙的新研究結合了物理模型和實驗，越來越多的證據表明，地球在數十億年前是一個水之世界，那個時候的地球被大量的水覆蓋，水量是現在地表水的兩倍之多，甚至淹沒過了最高峰。

這不是證據，但事情真的開始證明情況就是這樣。

謎底就在地幔上。地幔是一層溫度極高的非融化的岩石層，它在相對較薄的地殼之下，向下延伸將近3000千米，占地球質量的三分之二。地幔極高的壓力和溫度造就了一些地表所沒有的礦物，像瓦茲力石(wadsleyite)、林伍德石(ringwoodite)、和布理奇曼石(bridgmanite)這些橄欖石(olivine)。

圖源：T. Kawazoe

這些礦物有儲水結構，最多可以儲存他們自身重量的百分之三的水。這聽起來似乎也不是很多，但是別忘了，地幔占據地球絕大部分的質量。那裏有非常多的這些礦物，並且它們儲存著大量的水。

地球的主要層是由薄岩殼（8-40千米），溫度極高但是是固體岩石的地幔（2900千米），液態金屬的外核（2250千米），和固態金屬的內核組成（1300千米）。圖源：Getty Images / anuwat meereewee.

關鍵的問題就是，它們現在儲存了多少水，在過去又可以儲存多少？已經有實驗模擬出了地幔的情況，科學家們用金剛石壓砧把礦物質粉碎，然後加熱至高溫之後測量有多少水，得出這些礦物的儲水能力。

金剛石壓砧工作原理，圖源：Teach The Earth

新研究主要是看那些礦物在不同的壓力和溫度之下的儲水能力，用礦物的行為模式來擬合數據。他們的發現頗為可觀：地球的整體地幔的容納量，是如今地表海洋質量的2.3倍，更准確來說是在1.9倍到4.4倍之間，平均是2.3倍。換言之，如果你想把氣球上所有的水拿出來--大約是1.4x10^18噸重，14後面加17個零的噸位--地幔中的礦物可以儲存超過其兩倍的水量。

它現在可以並且就儲存著那麼多的水。在過去，地幔的溫度比現在更高，這就是新研究的有趣之處了。30-40億年之前地幔的溫度比現如今高出大約300攝氏度（如今的溫度大約是1300攝氏度）。回到實驗並且通過它們的模型，科學家們發現如果這些礦物的溫度更高，它們的儲水量反而更少。更高溫礦物的儲水量，僅僅是現在地表海洋質量的0.52-1.69倍之間，平均是0.8倍。

這明顯更少了。如果現在地幔的最大容水量是正確的，這就意味著過去地幔中所容納的水比現在的少。也就是說，現在地幔之中如此之多的水一定是來自某個地方。

裂穀（右）是構造板塊分裂的地方。隱沒帶（左）是一個板塊潛入另一個板塊下方的地幔之中的地區。圖源： Getty Images / Christoph Burgstedt / Science Photo Library。

根據科學家們的設想，在遠古時期，地表曾經有更多的水，可能是現在地表水的兩倍之多。這些水滲透進入地殼的裂縫之中，這可能使地殼弱化，板塊構造第一次開始了。當一個板塊帶著地表水一起滑到另一個板塊下方時，這些水被儲存在了地幔之中。隨著時間的流逝，地幔逐冷卻，它可以容納越來越多的水，因為隨著地幔逐漸降溫，瓦茲力石和林伍德石也更容易形成，所以它們幫助地幔容納更多的水。久而久之，地幔吸收了地表大約一半的水，才有了今天我們所看到的世界。

直到我讀了這個論文之後我才了解到，地表水通過隱沒作用深入地幔，然後火山又把地幔裏的水釋放出來。這一循環交換的過程所造成的淨效果就是，地表水流失到地幔中，估計每年就有十億噸之多！這著實震驚我一把。

這相當於每年一立方千米的速度。它可能看起來很多，但是對於浩瀚的海洋來說只是毛毛雨。然而，經過十億年那也積累很多了。交換的淨額隨著時間的推移而改變，這是毋庸置疑的，不過在地球的一生中，這些損失造成了地表海洋減半*。

還有其它的證據表明遠古的地表有更多的水。包括同位素比例的變化和其它礦物學研究，（如果這聽起來很耳熟，火星在數十億年之前可能也發生過相似的事）。

在地球很年輕的時候，它可能被水覆蓋著，如圖所示，圖源：蓋蒂圖片社（Getty Images)/馬克-沃德 (Marc Ward)/斯多克瑞克圖片社 (Stocktrek Images)

“水之地球”是近年來一個有趣的概念，也有電影以此為背景。這不僅僅是一個隨想，它還可以改變我們對生命起源的認知。關於生命起源的一個理論是，有機分子和其它物質集中在陸地上的潮汐池裏，它們混合在一起並且變得更複雜，最後甚至出現了生物狀態。如果沒有陸地，這一切是不可能發生的。另一方面，這可能會強化這樣一個理論，即生命是由海底深處的海底熱泉形成的，那裏的化學物質和熱量從地殼深處噴出，可以做到這一點。

海底熱泉，圖源：維基百科

我們的存在是否歸功於稍熱一點的地幔，和奇怪的像瓦茲力石、林伍德石、和布理奇曼石這樣，最近才發現的礦物？

地球能夠達到如此微妙的平衡狀態是難以想象的，但是我們就在這裏不是嗎？我們的生物圈是脆弱的，受到無數力量的影響，可以使其發生巨大的改變。我認為，這是非常重要的一點，我們需要牢記在心。

*星號補充：以前是這樣。由於全球變暖，北極、南極、和格林蘭島的冰蓋融化，這些融化的冰造成地表水以平均每年1500億噸之數增加，遠遠超過了流失到地幔中的數量。

BY: Phil Plait

FY: 青山綠水

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