尋找地球深處隱藏的海洋

編譯 胡德良

含水礦物顯示：地幔含水量比所有海洋的水還要多?，F(xiàn)在，研究人員面臨一個問題：所有的這些水來自哪里呢？

從巴西的泥土中采集來的數(shù)百顆鉆石有鵝卵石那么大，存放在美國西北大學的一個保險箱內(nèi)。對于某些人來說，它們可能毫無價值。西北大學礦物學家史蒂夫·雅各布森（Steve Jacobsen）說：“這些鉆石受到了破壞，看起來就像在洗衣機里洗過似的?！逼渲性S多鉆石顏色深暗或發(fā)黃，遠遠不是珠寶商夢寐以求的那種原始寶石。

然而，對于像雅各布森這樣的研究人員來說，這些結(jié)晶碳碎塊中的每一塊都是珍貴的，不是因為鉆石本身，而是因為封鎖于內(nèi)部的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是形成于地下幾百公里處深層地幔中的礦物斑點。

這些礦物斑點中有些斑點太小，即使在顯微鏡下也看不到。但是，通過這些斑點能夠探視無法到達的地球內(nèi)部。2014年，研究人員看到了嵌入這些礦物中的東西——水，要不是源自地球深處，這些水也十分普通了。

這不是實際的水滴，甚至也不是H2O分子，而是含有水的成分——嵌入礦物本身晶體結(jié)構(gòu)中的氫原子和氧原子。這種含水礦物不是濕的，但是，當將其融化之后，水就會冒出來。該發(fā)現(xiàn)是表明富含水的礦物存在于如此深的區(qū)域（深度在410千米至660千米之間）的首個直接證據(jù)，該區(qū)域被稱為“過渡帶”，是夾在上地幔和下地幔之間的一個區(qū)域。

此后，科學家發(fā)現(xiàn)了礦物中含水的更多證據(jù)。2018年3月，一個研究團隊宣布，他們發(fā)現(xiàn)了來自地幔的鉆石，其內(nèi)部含有真實的水。通過地震數(shù)據(jù)，科學家還繪制了整個地球內(nèi)部大片區(qū)域的親水礦物分布圖?，F(xiàn)在，一些科學家認為，一個巨大的水庫可能就潛藏在我們的腳下。如果我們把地球表面所有的水當作一個海洋，并證明地下存水量相當于好幾個海洋，那么科學家對于地球內(nèi)部的認識將會產(chǎn)生變化。但是，這又引出了另外一個問題：所有的這些水都是從哪里來的呢？

富水星球

這顆鉆石來自巴西的朱伊納市，最初形成于地球深處，該鉆石內(nèi)含有尖晶橄欖石——一種含水的礦物

正如大家所知，沒有水，生命將不存在。其實，如果沒有水，我們當今所熟悉的這個生機勃勃的地球也不會存在。在板塊構(gòu)造中，水起著不可或缺的作用，而板塊構(gòu)造引起了火山，并幫助上地幔中的部分物質(zhì)更加自由地流動。然而，地幔中的絕大部分區(qū)域是相對干燥的。例如，上地幔主要是由一種叫“橄欖石”的礦物構(gòu)成，這種礦物不能存儲太多的水。

但是，在410千米以下的過渡區(qū)，高溫和高壓將橄欖石擠壓成一種新的晶體結(jié)構(gòu)，叫作“瓦茲利石”。1987年，科羅拉多大學的礦物學家喬·史密斯（Joe Smyth）意識到，瓦茲利石晶體結(jié)構(gòu)中可能會充滿間隙。事實證明，這些間隙最適合存留氫原子，氫原子可以依附于間隙中，能夠跟已經(jīng)處于礦物中的鄰近氧原子結(jié)合。史密斯發(fā)現(xiàn)，瓦茲利石擁有捕獲大量氫的潛力，使其變成含水礦物，一旦礦物融化，就會產(chǎn)生水。對于像史密斯這樣的科學家來說，有氫就意味著有水。

在過渡區(qū)的更深處，瓦茲利石就會變成尖晶橄欖石。20世紀90年代，雅各布森曾是史密斯的研究生。在實驗室里，雅各布森為一塊塊尖晶橄欖石加壓加熱，模仿過渡區(qū)的極端條件。研究人員利用瓦茲利石和尖晶橄欖石做同樣的實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在過渡區(qū)中，這些礦物可以容納的水相當于其自身重量的1%至3%。由于過渡區(qū)是大約250千米厚的巖層，大約占地球質(zhì)量的7%。相比之下，地殼只占地球質(zhì)量的1%。因此，過渡區(qū)所包含的水量可能是地球海洋的好幾倍。

然而，這些實驗僅能用來測算水的容量。俄亥俄州立大學的地球物理學家溫迪·帕內(nèi)羅（Wendy Panero）說：“這并非測量多孔結(jié)構(gòu)的濕度如何，而是測量這些多孔結(jié)構(gòu)能夠容納多少水?！?/p>

另外，這些實驗也不一定符合現(xiàn)實情況，因為研究人員只能對實驗室培育的尖晶橄欖石進行測試。除了幾塊隕石之外，沒有人見過自然界中的尖晶橄欖石。在2014年之前，情況一直是這樣。

有趣的線索

當足球迷聚集在巴西觀看2014年世界杯時，一個地質(zhì)學家小組前往朱伊納市附近的農(nóng)場，他們要尋找被當?shù)睾恿魈猿龅你@石。

鉆石在地幔的高溫高壓環(huán)境下形成，因此鉆石能夠?qū)⑿切屈c點的礦物封存其中。由于鉆石非常堅硬，隨著火山爆發(fā)被噴射到地面之后，其中的礦物就保存了下來。

研究人員購買了一千多塊斑點最多的、充滿礦物的鉆石晶體。其中，阿爾伯塔大學的地球化學家格雷厄姆·皮爾森（Graham Pearson）將幾百塊鉆石帶回了實驗室。皮爾森及同事在一塊特別的鉆石中發(fā)現(xiàn)了來自過渡區(qū)的尖晶橄欖石，而且還是含水的尖晶橄欖石，水分重量大約占1%。

新墨西哥大學地震學家布蘭登·施曼特（Brandon Schmandt）說：“這是一項重要的、合理可信的發(fā)現(xiàn)?？茖W家首次獲得了過渡區(qū)的礦物樣品，而且還是含水的。試想一下，過渡區(qū)的其他地方也有可能是含水的，這絕對是靠譜的事！”

但是，施曼特補充說道：“認為一塊晶體能夠代表整個過渡區(qū)的一般情況，這不免有點不切實際?！碑吘梗@石只有在特定的條件下才能形成，而且這塊樣品有可能來自于一個獨特的含水區(qū)域。

為了搞清含水尖晶橄欖石的分布到底有多廣泛，施曼特與雅各布森合作，聯(lián)合其他研究人員，利用地震波繪制出分布圖。由于對流的作用，含水尖晶橄欖石會下沉，隨著下沉至過渡區(qū)以下，不斷升高的壓力將水分擠出，導致礦物熔化。就在過渡區(qū)下面，地幔物質(zhì)正在下降，一灘灘熔融礦物會突然減緩地震波。通過測量北美洲地下的地震波速度，研究人員發(fā)現(xiàn)：在過渡區(qū)之下，這樣的熔融礦物似乎很普遍。另外一項研究測量了歐洲阿爾卑斯山脈之下的地震波，也發(fā)現(xiàn)了同樣的模式。

阿爾伯塔大學地球化學家皮爾森領(lǐng)導的團隊發(fā)現(xiàn)來自地幔的含水礦物質(zhì)

2018年3月份，內(nèi)華達大學拉斯維加斯分校礦物學家奧利弗·喬納（Oliver Tschauner）帶領(lǐng)的研究小組發(fā)現(xiàn)了含有實際水冰的鉆石，這是第一次觀察到地幔中獨立存在的H2O。這些樣品可能會更好地說明形成鉆石的環(huán)境是濕潤的，而不是無處不在的水庫。這是一種高壓形式的水，被稱為“VII型冰”，存在于南非和中國的眾多地方，因此這種形式的水可能會相對普遍。

卡內(nèi)基科學研究院的地質(zhì)學家史蒂夫·施萊伊（Steve Shirey）說：“往后幾年里，我們將會發(fā)現(xiàn)VII型冰更加常見。正如含水尖晶橄欖石那樣，VII型冰也使我們了解到同樣的情況?！?/p>

但是，如果情況是地幔中充滿了水，那么留給我們的懸念是：所有這些水是如何到達那里的呢？

水的來源

根據(jù)標準的故事傳說，地球水應(yīng)該是外來的。地球形成于太陽周邊的區(qū)域，而該區(qū)域太熱，像水這樣的易揮發(fā)化合物無法凝結(jié)。因此，初期的地球一開始是干燥的，直到太陽系遠處的富水天體撞擊到地球上，將水送到地球表面，地球才開始濕潤起來。多數(shù)撞擊過來的富水天體可能不是彗星，而是叫作“碳質(zhì)球粒隕石”的小行星，這樣的小行星含水的重量可能多達20%，就像尖晶橄欖石一樣，其中的水也是以氫的形式儲存的。

但是，如果過渡區(qū)儲存大量的水，這個有關(guān)水的起源的故事就不得不改變了。雅各布森說：“保守估計，如果過渡區(qū)能夠儲存的水為其重量的1%，那么這些水就相當于世界海洋的兩倍。”下地幔要干燥得多，但其體積也是巨大的，容納的水量也可能相當于世界上所有海洋之水的總和。此外，地殼中也有水。雅各布森稱，以目前的速度，如果要從地表吸收那么大量的水，所需的時間會比地球本身的年齡還要長得多。

如果是這樣的話，至少有一部分水必定是一直存在于地球內(nèi)部的。一些理論認為，盡管早期太陽系的溫度很高，但水分子可能會黏附于塵土顆粒上，而這些塵土顆粒聚結(jié)起來，形成了地球。

西北大學的礦物學家雅各布森認為，地幔中儲存的水量比地球的海洋還要多

然而，地幔中的總水量是一個非常不確定的數(shù)字。根據(jù)施曼特和其他研究人員的估算，地幔中的水最少可能僅有世界海洋水量的一半，最多可能擁有兩倍或三倍于世界海洋的水量。如果比這個水量還要多得多，早期地球就會由于地幔含水量太大、流動性太好而導致大陸板塊破裂，當今這樣的板塊構(gòu)造可能永遠都不會形成。耶魯大學地球物理學家尤恩·科列納加（Jun Korenaga）說：“如果地面上有很多水，那是大好事；如果地幔中水太多，那就不妙了?！?/p>

但是，仍有許多不確定因素。一個很大的疑問是：下地幔的壓力極大，會將尖晶橄欖石變?yōu)椴际蠋r，而布氏巖根本不能儲存多少水。然而，最近的研究表明，存在新的含水礦物，叫作“D型巖”和“H型巖”。帕內(nèi)羅稱，有關(guān)這些含水礦物到底是什么樣子以及它們可以存儲多少水，這些都是懸而未決的問題?！坝捎谶@些問題還根本沒有答案，因此我認為在地幔含水量的問題上仍然存在很大的爭議?！?他說。

測量地球內(nèi)部含水量不是件容易的事?？屏屑{加說：“一種有希望的方法是測量地幔的電導率?！钡?，這項技術(shù)還不像地震波技術(shù)那么先進。地震波提供的是地球內(nèi)部全局性的視圖，但圖像并不總是清晰的。由于信號模糊不清，研究人員需要更加精確的數(shù)據(jù)，需要更好地了解真正的地幔物質(zhì)，而不是僅僅去了解尖晶橄欖石和瓦茲利石，這兩種礦物大約占過渡區(qū)的60%，其余部分是其他礦物和化合物的復雜混合物。

此外，尋找更多內(nèi)含含水礦物的鉆石也會有所幫助。在雅各布森的實驗室里，尋找合適鉆石的工作由研究生米歇爾·溫茲（Michelle Wenz）來做。對于每一塊鉆石，溫茲都要利用阿爾貢國家實驗室的高強度X射線來確定每個礦物斑點的位置，而每塊鉆石中的斑點可能會有六七個。因此，為了識別其中的礦物是什么，她將X射線照在每個斑點上，測量射線如何從晶體結(jié)構(gòu)中散射出來。實驗室里的幾百塊鉆石都來自巴西，溫茲已經(jīng)對其中的60多塊進行了識別，到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)水。溫茲說：“不管有沒有水，這些來自地下深處的密封斑點仍然是令人驚嘆的。其中的每個斑點都是那么獨特，形狀特別像雪花?！?/p>

資料來源 Quanta Magazine