前沿速報||地球上的水形成於什麼時候？月亮告訴你答案。

來自專欄 相期邈雲漢

從月球上尋找地球失落的歷史。

地球上的水是什麼時候形成的？這是科學家們至今還在爭執不休的課題。不過，過去人們普遍認為，起碼在地球誕生（約46億年前）最初的幾億年里，應該不太可能有水存在，因為那時候內太陽系的幾個岩質大天體都在經歷著劇烈的小天體撞擊，完全是一個個熔融炙熱的冶煉爐。那麼很自然地，人們認為地球上的水應當形成於晚些時候，怎麼也不能比45億年前更早了吧。

然而近日，英國開放大學的Greenwood及其同事們通過測量地球和月球的岩石樣本，發現地球上的大部分水可能在45億年前就存在了，這一結果發表於2018年3月28日的Science Advance：Oxygen isotopic evidence for accretion of Earth』s water before a high-energy Moon-forming giant impact。

咦？為什麼科學家們可以通過月球的岩石找到地球上水含量變化的線索呢？這是因為月球和地球有著不可分割的「近親」關係。這一切還得從月球的起源說起，那是很久很久以前的一天……

飛來橫禍的一天

45億年前的一天，一顆火星大小的天體從天而降，傾斜撞向了尚未完全長成的「雛形」地球。劇烈的撞擊迅速粉碎和融化了整個撞擊體，也把地球的一部分物質撞了出來。這些碎屑物質散落在地球四周，又通過碰撞和吸積最終形成了如今的月球。

這就是著名的大撞擊假說（Giant Impact Hypothesis）為我們構建的月球起源圖景(Hartmann and Davis, Icarus, 1975; Canup and Asphaug, Nature, 2001)，科學家們還給這顆假想中的撞擊體賦予了一個意味深長的名字——忒亞（Theia），她是希臘神話中的泰坦女神，也是月神塞勒涅（Selene）之母。

修修補補幾十年——行星科學家：寶寶心裡苦！

雖然人們對月球的起源一直有諸多猜想，但大撞擊假說是近幾十年來最受青睞的一個，因為它能較好地解釋如今地球的自轉傾角、地月系統的密度差異和軌道動力學關係。

但物理上的大廈蓋起來了，化學上的窟窿怎麼辦？行星科學家們可以說是絞盡腦汁。

起初，人們想當然地認為撞擊產生的碎屑一定是大部分來自忒亞，小部分來自地球，那麼最終形成的月球在化學成分上（比如某種元素的各種同位素比例）應該更接近忒亞而非地球對吧。

可是阿波羅任務帶回來的月球岩石的同位素含量測量顯示，地月岩石以氧為首的一些同位素的比例像得不得了，幾乎沒有差異啊 (Wiechert et al., Science, 2001)。

壞了，那怎麼辦？簡單，讓忒亞和地球的化學成分相同不就行了么，反正45億年前的忒亞是啥樣還不是靠推（瞎）理（猜）么！

可是顯然忒亞和地球的化學成分不同才是更有可能的情況，畢竟兩個素未謀面的天體化學成分上一毛一樣，這概率實在有點小。為了讓大撞擊假說更有說服力，行星地球化學家們又提出了「同位素均一理論（isotopic equilibration）」，認為在當時大撞擊之後，地球外層物質和忒亞的碎屑在一個高溫熔融氣化的環境中充分混合了，所以兩者的成分表現出了高度相似性(Pahlevan and Stevenson, EPSL, 2007)。

問題又來了，氧這樣的易揮發元素好說，但地月的鈦和鎢這樣的難熔元素的同位素含量也非常相似 (Zhang et al., 2012; Dauphas et al., 2014)，這就解釋不通了，因為這些元素非常耐高溫，不太可能熔融氣化參與這種充分混合啊。

好說，咱們把原本的動力學模型再改改。

比如，如果最初的撞擊更劇烈，撞出更多更深的地球物質，讓最終生成的月球主要由地球的幔層物質組成而非忒亞不就結了。但更劇烈的撞擊會讓之後的地月系統角動量比現在大不少啊，這對不上。怎麼辦？讓它在地月系統和太陽的軌道共振中消耗掉唄——這就是「高能撞擊模型」（?uk and Stewart, Science, 2012; Canup, Science, 2012）。

或者乾脆不要撞一次了，如果是小一點的忒亞（們），多次撞擊了雛形地球，這些撞擊產生的碎屑更容易充分混合和自由遷移，也可能產生目前的地月化學成分——這就是「多次撞擊假說」(Rufu et al., 2017; Lock and Stewart, JGR, 2017)。

可還是不對，就算大撞擊結束之後的地月岩石的化學成分可以達到一致，可那畢竟是45億年前啊！在那之後的漫長年月里，地球和月球依然經歷了多次小行星和彗星的撞擊，這些撞擊必然為地月系統帶來了新的物質——這被稱為「後增薄層（late veneer）」(Walker et al., 2015)。新舊物質的混合會進一步改變地球和月球的化學成分，也就是說，即使45億年前的地月化學成分是一樣的，到現在也不應該一樣了……

這還沒完，雖然諸多研究者們已經翻來覆去測過n多次了，但不同的研究者用不同的樣品測的結果還不一樣……有研究就表明：我們測的地球和月球的氧同位素含量明明差別很大啊（月球和氧同位素含量有高達12 ppm的差別，1 ppm=百萬分之一，而支持「幾乎沒有差別」的研究認為只有不到1ppm的差別）！我這兒和大撞擊理論符合得好著呢，你們前面那些都想多了，洗洗睡吧 (Herwartz et al., Science, 2014)！當然，之前之後的眾多行星地球化學家們都強烈反對這個實驗結果 (Young et al., Science, 2016)……

其實，以上這些不過是近二三十年來月球起源假說各種爭論的冰山一角……在大撞擊假說這棟大廈里，行星科學家們就這樣補完一樓補二樓，補完二樓補三樓，補完三樓……什麼？一樓又破了？！

行星科學家們：寶寶心裡苦，難過到嗦不出話……

不過，聰明的大家一定發現了，說來說去，有一個基本的爭議點決定了後面所有假（腦）說（洞）的走向：

地球和月球的氧同位素含量到底是不是差不多啊？！這個問題實在是太關鍵了。

重測氧同位素含量，重現地球的含水量變化

近日，英國開放大學的Greenwood及其同事們又?叒叕測了一把地球和月球的氧同位素含量。他們的實驗中使用了高精度的同位素測量方法，囊括了目前為止最全面的月球和地球岩石樣本。結果顯示：月球岩石和地球玄武岩的氧同位素含量存在3-4 ppm（也就是百萬分之三到四）的差別，這個差別在統計上顯著可區分。也就是說，差別是存在的，但很小——比12 ppm小得多，但也不止1 ppm那麼小。

什麼意思呢？就是說，之前關於大撞擊假說的那些補丁依然有必要打，而且，還不夠。

不夠的地方在於，僅僅是撞擊之後的混合，似乎並不足以導致4 ppm的差別……

Greenwood及其同事們又以頑火無球粒隕石（aubrites）代表忒亞的化學成分，模擬了撞擊之後氧同位素的混合和含量。頑火無球粒隕石富鎂、貧鐵，且的氧同位素含量和月球岩石相近，因而被認為化學成分很接近當年的撞擊物。模擬結果顯示，撞擊和混合之後月球和地球岩石的氧同位素含量差異應當只有2 ppm。也就是說，原本撞擊和混合之後也會有一點點差別，但這個一點點還是比岩石樣本中測得的一點點小不少：地月岩石的氧同位素差異只有一半是原本的大撞擊和混合造成的，而另一半是怎麼來的呢？是之後的小行星和彗星撞擊引起的，也就是上一節所說的「後增薄層」的影響了。

在大撞擊之後的45億年里，無數小行星和彗星來到了地球，過去的研究認為，正是這些小行星和彗星，給地球帶來了大部分水和揮發物，而這些新加入的氧元素，也改變了地球岩石的氧同位素比例。然而，Greenwood及其同事們通過這次的地月岩石氧同位素含量的測量值進行推算，卻發現地球全球水量中只有5-30%是大撞擊之後地球上新增的，也就是說，地球上絕大部分的水可能在45億年前的那次大撞擊之前，就已經靜靜地存在於雛形地球上了。

不過這個結論也不是首次提出了，Fischer-G?dde and Kleine (Nature, 2017) 也通過對比地球和各種球粒隕石中釕同位素異常，提出後增薄層並不是地球上水和揮發物的主要來源，也就是說兩者雖然用了不同的方法，但得到了一致的結論。

那麼這些水是如何在還未長成的地球上誕生，如何在大撞擊和頻繁的小型撞擊之下倖存的？這些還有待行星科學家們繼續探索。另一方面，如果在行星形成早期的極端環境下就能有如此大量的水存在，那麼經歷過相似階段的系外行星上有液態水和適宜生命存在環境的希望似乎也大了不少。

至於大撞擊假說這棟大廈將來會怎麼樣嘛……或許有一天，行星科學家們能把所有的補丁都給完美補上，也或許有一天，補丁打太多大廈直接就塌了……誰知道呢？

致謝本文感謝好友Yanhao Lin, Shaofan Che, Le Qiao, Boyang Liu的審稿和對本文內容提升所提供的幫助。

老規矩，簡易閱讀版發在公眾號haibaraemily_planets。

BTW，這還是哀醬第一次聽說有開放大學（Open University）這麼個大學……是一所公立的遠程教育大學，大部分學生都是遠程學習……可以授予本科和碩士學位，有校園，有工作和研究人員……

參考文獻

• , R. C., Barrat, J. A., Miller, M. F., Anand, M., Dauphas, N., Franchi, I. A., ... & Starkey, N. A. (2018). Oxygen isotopic evidence for accretion of Earth』s water before a high-energy Moon-forming giant impact. Science advances, 4(3), eaao5928.
• Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975). Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.
• Wiechert, U., Halliday, A. N., Lee, D. C., Snyder, G. A., Taylor, L. A., & Rumble, D. (2001). Oxygen isotopes and the Moon-forming giant impact. Science, 294(5541), 345-348.
• Pahlevan, K., & Stevenson, D. J. (2007). Equilibration in the aftermath of the lunar-forming giant impact. Earth and Planetary Science Letters, 262(3-4), 438-449.
• Zhang, J., Dauphas, N., Davis, A. M., Leya, I., & Fedkin, A. (2012). The proto-Earth as a significant source of lunar material. Nature Geoscience, 5(4), 251.
• Dauphas, N., Burkhardt, C., Warren, P. H., & Fang-Zhen, T. (2014). Geochemical arguments for an Earth-like Moon-forming impactor. Phil. Trans. R. Soc. A, 372(2024), 20130244.
• ?uk, M., & Stewart, S. T. (2012). Making the Moon from a fast-spinning Earth: a giant impact followed by resonant despinning. science, 338(6110), 1047-1052.
• Canup, R. M. (2012). Forming a Moon with an Earth-like composition via a giant impact. Science, 1226073.
• Lock, S. J., & Stewart, S. T. (2017). The structure of terrestrial bodies: Impact heating, corotation limits, and synestias. Journal of Geophysical Research: Planets, 122(5), 950-982.
• Rufu, R., Aharonson, O., & Perets, H. B. (2017). A multiple-impact origin for the Moon. Nature Geoscience, 10(2), 89.
• Walker, R. J., Bermingham, K., Liu, J., Puchtel, I. S., Touboul, M., & Worsham, E. A. (2015). In search of late-stage planetary building blocks. Chemical Geology, 411, 125-142.
• Herwartz, D., Pack, A., Friedrichs, B., & Bischoff, A. (2014). Identification of the giant impactor Theia in lunar rocks. Science, 344(6188), 1146-1150.
• Young, E. D., Kohl, I. E., Warren, P. H., Rubie, D. C., Jacobson, S. A., & Morbidelli, A. (2016). Oxygen isotopic evidence for vigorous mixing during the Moon-forming giant impact. Science, 351(6272), 493-496.
• Kleine, T. (2011). Geoscience: Earths patchy late veneer. Nature, 477(7363), 168.
• https://www.psi.edu/epo/moon/moon.html
• Fischer-G?dde, M., & Kleine, T. (2017). Ruthenium isotopic evidence for an inner Solar System origin of the late veneer. Nature, 541(7638), 525.

本文首發於微信公眾號 果殼科學人。