地球上的水來自彗星還是自身？

06-18

原文標題：Did Earth receive its water from comets, or geologically from within

作者：OSU press release 原文來自：Astronomy Now Posted: 2014.12.21

水世界：來自地球內部還是來自太空？影像提供：Wikimedia Commons

一項最新研究幫助解答一個長期困擾大家的問題，這個問題近來成為地球科學的前沿：我們的行星地球是通過地質過程抑或通過來自太陽系遙遠邊緣的冰態彗星獲得水？

答案可能是「兩者都是」，據俄亥俄州立大學的研究人員說，目前充滿太平洋的同量的水能夠立刻被埋入地球內部深處。

在12月17日星期三召開的美國地球物理聯合會（AGU）年會上，他們報告了以前未知的地球化學路徑的發現，地球通過這一路徑在其內部隔絕水長達數十億年，並仍然通過板塊構造釋放小量水到地球表面，從地球內部為我們的海洋提供水。

為了試圖理解地球早期的形成，一些研究人員提出，早期地球是乾旱的，對生命是不友好的，直到冰態彗星連續撞擊地球並在地球表面儲存了水。

帕內羅，俄亥俄州立大學地球科學副教授及其博士生皮戈特提出了不同的假設：地球形成時整個液態水海洋在其內部，從那時起一直通過板塊構造持續不斷地向地球表面提供水。

這幅板塊構造示意圖顯示地幔環流如何通過中洋脊把新岩石傳送到地殼。最新研究提出地幔環流也把水傳輸到海洋中。影像提供：Byrd Polar Research Center, Ohio State University

研究人員長期以來一直接受這樣的觀點，即地幔包含一些水，但包含多少水是個謎。如果某些地質機制一直在為地球表面提供水，那麼地幔目前為什麼還沒有耗盡所有的水？

因為沒有辦法能夠直接研究深層地幔的岩石，帕內羅和皮戈特通過高壓物理學實驗和計算機模擬來研究和探索這個問題。

「當我們研究地球上水的起源時，我們真正要問的是，為什麼我們和所有其它行星如此不同？」帕內羅說。「在這個太陽系裡，地球是獨一無二的，因為我們地球表面有液態水。我們也是唯一具有活動的板塊構造的行星。也許地幔中的水對板塊構造是重要的，這也是造成地球適宜居住的部分原因。」

這項研究的中心是，人眼看上去乾燥的岩石實際上能夠包含水，以氫原子的形式被束縛在自然空洞和晶體缺陷內部。

走失氫原子只是地幔岩石的微小部分，研究人員解釋道。然而，假設地幔超過行星地球總體積的80%以上，那些走失的原子總計形成大量潛在的水。

在俄亥俄州的一個實驗室，研究人員把地幔常見的不同礦物壓縮並藉助鑽石砧壓槽--在兩塊鑽石之間壓縮微量的物質樣品並用激光對其進行加熱的設備--以模擬地球深部的條件。他們檢驗了礦物的晶體結構在被壓縮時如何改變，並利用這一信息測量了礦物儲存氫的相對容量。然後，他們藉助計算機模擬把實驗結果加以推廣，揭示地質化學過程使得這些礦物從地幔上升到地球表面，這是水逃逸進入海洋的必須條件。

在投給一份匿名評審的學術期刊的論文中，他們報告了他們近來對礦物布氏岩的試驗，布氏岩是橄欖石的高壓形式。布氏岩是下地幔中最豐富的礦物，他們發現它包含的氫原子量太小，不足以在地球的水供應中扮演重要角色。

另一個研究小組近來發現尖晶橄欖石，另一種形式的橄欖石，確實包含足夠氫，使得它成為地球深部水儲蓄的良好候選者。因此帕內羅和皮戈特把他們的研究聚焦在發現尖晶橄欖石的地球深部--地表以下325-500英里的地方，研究人員稱之為「過渡帶」--最有可能成為能夠儲存地球上水的地區。從那裡開始，和產生板塊構造相同的地幔岩石對流也能夠把水輸送到地球表面。

一個問題是：如果尖晶橄欖石中所有水持續不斷地通過板塊構造被抽取到地表，行星地球又是如何儲存部分水的呢？

為了在AGU大會上報告的研究成果，帕內羅和皮戈特對約500英里深或更深的下地幔中的地質化學進行了最新的計算機模擬。那裡，另一種礦物石榴石作為可能的水攜帶者出現了，能夠把一些水從尖晶橄欖石向下輸送到乾燥的下地幔的中介物。

如果這一前景是精確的，地球今天在其深部可能擁有相當於目前在地表海洋中流動的一半數量的水，帕內羅說，這一數量近似太平洋的水量。這一水量持續不斷地通過過渡帶循環，成為板塊構造的結果。

「看待這項研究的一種方法是我們對可能存在地球深部的水量加上了約束條件，」皮戈特補充道。

帕內羅把板塊構造和表面水量之間的複雜關係稱為「地球科學中最偉大的謎團之一」。但這項最新研究支持了研究人員不斷增長的猜測，即地幔對流調節了海洋中的水量。它也廣泛地擴大了地球水循環的時間表。

如果地球所有的水都在地表，那麼這給予我們對水循環的一種解釋，我們認為在數百萬年里，水在海洋和大氣和地下水之間循環。

注釋[1]羅塞塔計劃的ROSINA儀器的首次測量顯示，67P/楚爾與莫夫-格拉西門科彗星的氘氫比率顯示，該彗星高度富含氘，這和地球大氣和海洋中存在的水起源於彗星的理論相矛盾。