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(gè)問(wèn)題：所有的這些水來(lái)自哪里呢？

從巴西的泥土中采集來(lái)的數(shù)百顆鉆石有鵝卵石那么大，存放在美國(guó)西北大學(xué)的一個(gè)保險(xiǎn)箱內(nèi)。對(duì)于某些人來(lái)說(shuō)，它們可能毫無(wú)價(jià)值。西北大學(xué)礦物學(xué)家史蒂夫·雅各布森（Steve Jacobsen）說(shuō)：“這些鉆石受到了破壞，看起來(lái)就像在洗衣機(jī)里洗過(guò)似的?！逼渲性S多鉆石顏色深暗或發(fā)黃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是珠寶商夢(mèng)寐以求的那種原始寶石。

然而，對(duì)于像雅各布森這樣的研究人員來(lái)說(shuō)，這些結(jié)晶碳碎塊中的每一塊都是珍貴的，不是因?yàn)殂@石本身，而是因?yàn)榉怄i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(diǎn)。

這些礦物斑點(diǎn)中有些斑點(diǎn)太小，即使在顯微鏡下也看不到。但是，通過(guò)這些斑點(diǎn)能夠探視無(wú)法到達(dá)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(shí)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(dāng)將其融化之后，水就會(huì)冒出來(lái)。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(gè)直接證據(jù)，該區(qū)域被稱為“過(guò)渡帶”，是夾在上地幔和下地幔之間的一個(gè)區(qū)域。

此后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了礦物中含水的更多證據(jù)。2018年3月，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們發(fā)現(xiàn)了來(lái)自地幔的鉆石，其內(nèi)部含有真實(shí)的水。通過(guò)地震數(shù)據(jù)，科學(xué)家還繪制了整個(gè)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(xué)家認(rèn)為，一個(gè)巨大的水庫(kù)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(dāng)作一個(gè)海洋，并證明地下存水量相當(dāng)于好幾個(gè)海洋，那么科學(xué)家對(duì)于地球內(nèi)部的認(rèn)識(shí)將會(huì)產(chǎn)生變化。但是，這又引出了另外一個(gè)問(wèn)題：所有的這些水都是從哪里來(lái)的呢？

富水星球

這顆鉆石來(lái)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(méi)有水，生命將不存在。其實(shí)，如果沒(méi)有水，我們當(dāng)今所熟悉的這個(gè)生機(jī)勃勃的地球也不會(huì)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(dòng)。然而，地幔中的絕大部分區(qū)域是相對(duì)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(chǔ)太多的水。

但是，在410千米以下的過(guò)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(xué)的礦物學(xué)家喬·史密斯（Joe Smyth）意識(shí)到，瓦茲利石晶體結(jié)構(gòu)中可能會(huì)充滿間隙。事實(shí)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(huì)產(chǎn)生水。對(duì)于像史密斯這樣的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，有氫就意味著有水。

在過(guò)渡區(qū)的更深處，瓦茲利石就會(huì)變成尖晶橄欖石。20世紀(jì)90年代，雅各布森曾是史密斯的研究生。在實(shí)驗(yàn)室里，雅各布森為一塊塊尖晶橄欖石加壓加熱，模仿過(guò)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在過(guò)渡區(qū)中，這些礦物可以容納的水相當(dāng)于其自身重量的1%至3%。由于過(guò)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(guò)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(shí)驗(yàn)僅能用來(lái)測(cè)算水的容量。俄亥俄州立大學(xué)的地球物理學(xué)家溫迪·帕內(nèi)羅（Wendy Panero）說(shuō)：“這并非測(cè)量多孔結(jié)構(gòu)的濕度如何，而是測(cè)量這些多孔結(jié)構(gòu)能夠容納多少水?！?/p>

另外，這些實(shí)驗(yàn)也不一定符合現(xiàn)實(shí)情況，因?yàn)檠芯咳藛T只能對(duì)實(shí)驗(yàn)室培育的尖晶橄欖石進(jìn)行測(cè)試。除了幾塊隕石之外，沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)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(dāng)足球迷聚集在巴西觀看2014年世界杯時(shí)，一個(gè)地質(zhì)學(xué)家小組前往朱伊納市附近的農(nóng)場(chǎng)，他們要尋找被當(dāng)?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(diǎn)點(diǎn)的礦物封存其中。由于鉆石非常堅(jiān)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(lái)。

研究人員購(gòu)買(mǎi)了一千多塊斑點(diǎn)最多的、充滿礦物的鉆石晶體。其中，阿爾伯塔大學(xué)的地球化學(xué)家格雷厄姆·皮爾森（Graham Pearson）將幾百塊鉆石帶回了實(shí)驗(yàn)室。皮爾森及同事在一塊特別的鉆石中發(fā)現(xiàn)了來(lái)自過(guò)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(xué)地震學(xué)家布蘭登·施曼特（Brandon Schmandt）說(shuō)：“這是一項(xiàng)重要的、合理可信的發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家首次獲得了過(guò)渡區(qū)的礦物樣品，而且還是含水的。試想一下，過(guò)渡區(qū)的其他地方也有可能是含水的，這絕對(duì)是靠譜的事！”

但是，施曼特補(bǔ)充說(shuō)道：“認(rèn)為一塊晶體能夠代表整個(gè)過(guò)渡區(qū)的一般情況，這不免有點(diǎn)不切實(shí)際。”畢竟，鉆石只有在特定的條件下才能形成，而且這塊樣品有可能來(lái)自于一個(gè)獨(dú)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(duì)流的作用，含水尖晶橄欖石會(huì)下沉，隨著下沉至過(guò)渡區(qū)以下，不斷升高的壓力將水分?jǐn)D出，導(dǎo)致礦物熔化。就在過(guò)渡區(qū)下面，地幔物質(zhì)正在下降，一灘灘熔融礦物會(huì)突然減緩地震波。通過(guò)測(cè)量北美洲地下的地震波速度，研究人員發(fā)現(xiàn)：在過(guò)渡區(qū)之下，這樣的熔融礦物似乎很普遍。另外一項(xiàng)研究測(cè)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(xué)地球化學(xué)家皮爾森領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)來(lái)自地幔的含水礦物質(zhì)

2018年3月份，內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校礦物學(xué)家?jiàn)W利弗·喬納（Oliver Tschauner）帶領(lǐng)的研究小組發(fā)現(xiàn)了含有實(shí)際水冰的鉆石，這是第一次觀察到地幔中獨(dú)立存在的H2O。這些樣品可能會(huì)更好地說(shuō)明形成鉆石的環(huán)境是濕潤(rùn)的，而不是無(wú)處不在的水庫(kù)。這是一種高壓形式的水，被稱為“VII型冰”，存在于南非和中國(guó)的眾多地方，因此這種形式的水可能會(huì)相對(duì)普遍。

卡內(nèi)基科學(xué)研究院的地質(zhì)學(xué)家史蒂夫·施萊伊（Steve Shirey）說(shuō)：“往后幾年里，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)VII型冰更加常見(jiàn)。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(dá)那里的呢？

水的來(lái)源

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的故事傳說(shuō)，地球水應(yīng)該是外來(lái)的。地球形成于太陽(yáng)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(wú)法凝結(jié)。因此，初期的地球一開(kāi)始是干燥的，直到太陽(yáng)系遠(yuǎn)處的富水天體撞擊到地球上，將水送到地球表面，地球才開(kāi)始濕潤(rùn)起來(lái)。多數(shù)撞擊過(guò)來(lái)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(dá)20%，就像尖晶橄欖石一樣，其中的水也是以氫的形式儲(chǔ)存的。

但是，如果過(guò)渡區(qū)儲(chǔ)存大量的水，這個(gè)有關(guān)水的起源的故事就不得不改變了。雅各布森說(shuō)：“保守估計(jì)，如果過(guò)渡區(qū)能夠儲(chǔ)存的水為其重量的1%，那么這些水就相當(dāng)于世界海洋的兩倍?！毕碌蒯Ｒ稍锏枚?，但其體積也是巨大的，容納的水量也可能相當(dāng)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(shí)間會(huì)比地球本身的年齡還要長(zhǎng)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(rèn)為，盡管早期太陽(yáng)系的溫度很高，但水分子可能會(huì)黏附于塵土顆粒上，而這些塵土顆粒聚結(jié)起來(lái)，形成了地球。

西北大學(xué)的礦物學(xué)家雅各布森認(rèn)為，地幔中儲(chǔ)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(gè)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(gè)水量還要多得多，早期地球就會(huì)由于地幔含水量太大、流動(dòng)性太好而導(dǎo)致大陸板塊破裂，當(dāng)今這樣的板塊構(gòu)造可能永遠(yuǎn)都不會(huì)形成。耶魯大學(xué)地球物理學(xué)家尤恩·科列納加（Jun Korenaga）說(shuō)：“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。”

但是，仍有許多不確定因素。一個(gè)很大的疑問(wèn)是：下地幔的壓力極大，會(huì)將尖晶橄欖石變?yōu)椴际蠋r，而布氏巖根本不能儲(chǔ)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(chǔ)多少水，這些都是懸而未決的問(wèn)題?！坝捎谶@些問(wèn)題還根本沒(méi)有答案，因此我認(rèn)為在地幔含水量的問(wèn)題上仍然存在很大的爭(zhēng)議?！?他說(shuō)。

測(cè)量地球內(nèi)部含水量不是件容易的事?？屏屑{加說(shuō)：“一種有希望的方法是測(cè)量地幔的電導(dǎo)率。”但是，這項(xiàng)技術(shù)還不像地震波技術(shù)那么先進(jìn)。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(hào)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(guò)渡區(qū)的60%，其余部分是其他礦物和化合物的復(fù)雜混合物。

此外，尋找更多內(nèi)含含水礦物的鉆石也會(huì)有所幫助。在雅各布森的實(shí)驗(yàn)室里，尋找合適鉆石的工作由研究生米歇爾·溫茲（Michelle Wenz）來(lái)做。對(duì)于每一塊鉆石，溫茲都要利用阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高強(qiáng)度X射線來(lái)確定每個(gè)礦物斑點(diǎn)的位置，而每塊鉆石中的斑點(diǎn)可能會(huì)有六七個(gè)。因此，為了識(shí)別其中的礦物是什么，她將X射線照在每個(gè)斑點(diǎn)上，測(cè)量射線如何從晶體結(jié)構(gòu)中散射出來(lái)。實(shí)驗(yàn)室里的幾百塊鉆石都來(lái)自巴西，溫茲已經(jīng)對(duì)其中的60多塊進(jìn)行了識(shí)別，到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水。溫茲說(shuō)：“不管有沒(méi)有水，這些來(lái)自地下深處的密封斑點(diǎn)仍然是令人驚嘆的。其中的每個(gè)斑點(diǎn)都是那么獨(dú)特，形狀特別像雪花?！?/p>

資料來(lái)源 Quanta Magazine