圖片來(lái)源：圖蟲(chóng)創(chuàng)意

地球上的水從哪里來(lái)？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，眾說(shuō)紛紜。而解開(kāi)這個(gè)謎題，對(duì)于理解生命如何出現(xiàn)以及地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)如何隨時(shí)間演化至關(guān)重要。

日前，南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院博士李含飛、副教授董校及其合作者發(fā)現(xiàn)兩種新的水合硅酸鎂（Mg2SiO5H2）結(jié)構(gòu)，可以作為地球早期水的儲(chǔ)存介質(zhì)存在。在核幔分離之后，其釋放出大量的水。這為早期地球上海洋的起源提供了新思路。相關(guān)論文1月21日發(fā)表在物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

論文截圖。

圖片來(lái)源：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703

地球水起源長(zhǎng)期存爭(zhēng)議

目前，關(guān)于水的起源有兩個(gè)觀點(diǎn)：一是“地獄起源說(shuō)”，認(rèn)為水來(lái)自地球深處，即地球在吸積期獲得了大量的水，并儲(chǔ)藏于地球內(nèi)部；二是“天堂起源說(shuō)”，認(rèn)為在地球形成后，富水隕石轟炸提供了大量的水。

水何時(shí)出現(xiàn)？也存在著爭(zhēng)議。曾經(jīng)，在對(duì)約四十五億年前隕石的分析中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了水的痕跡，說(shuō)明在地球起源之初，可能就已經(jīng)有水存在。

海洋覆蓋了地球表面71%的面積，使得地球成為一個(gè)名符其實(shí)的“水球”，也讓地球成為一個(gè)生機(jī)勃勃的活力星球。

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最近，越來(lái)越多的證據(jù)支持第一種假設(shè)。氘與氫的比例被認(rèn)為是水起源的指紋，一個(gè)發(fā)現(xiàn)指出，地球深部地幔的氘氫比很低，接近早期地球的基本組件頑輝石球粒隕石和原始太陽(yáng)星云，遠(yuǎn)低于彗星等太陽(yáng)系外圍物質(zhì)。這給地球內(nèi)部的水可能直接來(lái)自原太陽(yáng)星云的觀點(diǎn)提供了有力證據(jù)。

董校解釋：“氘氫比被認(rèn)為是水起源的標(biāo)識(shí)，隨著太陽(yáng)的‘點(diǎn)燃’和而后的太陽(yáng)風(fēng)作用，太陽(yáng)系外圍氘氫比和原始太陽(yáng)星云是不同的。地球的氘氫比與原始太陽(yáng)星云一樣，而與外圍氘氫比不同，這成為地球水不是‘天外來(lái)客’的有力證據(jù)?！?/p>

然而，這一假說(shuō)存在相當(dāng)大的問(wèn)題。與其他行星材料如鐵、硅酸鹽相比，水的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)要低得多，因此在新生地球數(shù)千度的炙熱表面，水會(huì)被蒸發(fā)到太空中。由此可見(jiàn)，水只能存在于新生地球的內(nèi)部深處，并在新生地球演化到一定程度時(shí)被釋放出來(lái)。然而這一過(guò)程中的物質(zhì)存儲(chǔ)形式尚不明確。

發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的含水新礦物

通過(guò)第一性原理計(jì)算和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在數(shù)百萬(wàn)大氣壓的條件下出現(xiàn)兩種未被發(fā)現(xiàn)的新的穩(wěn)定水合硅酸鎂結(jié)構(gòu)，并將它們命名為α相和β相。其中，α相穩(wěn)定的壓力區(qū)間為262—338吉帕，β相的穩(wěn)定區(qū)間在338吉帕以上。而如今核幔分界處的壓力為136吉帕，地球中心的壓力為364吉帕。α相和β相結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別為鎂離子周?chē)哂胁煌难踉訑?shù)。

圖片來(lái)源：“南開(kāi)物理”（南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院官方微信公眾號(hào)）

第一性原理計(jì)算表明，在壓力為300吉帕?xí)r，水合硅酸鎂具有非常高的密度和極高的含水量。含有重量百分含量在11.4%的水，高于大多數(shù)其他報(bào)道的氫氧礦物的含水量。

“理論計(jì)算表明，這種水合硅酸鎂耐熱性遠(yuǎn)好于其他含水礦物，即使在8000開(kāi)爾文高溫下，也沒(méi)有分解或融化的跡象?！倍Ｕf(shuō)。

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在早期地球內(nèi)部，因?yàn)楹酸Ｉ形捶蛛x，硅酸鹽和過(guò)量的氧化鎂可能深入地球內(nèi)部深處，從而承受遠(yuǎn)比現(xiàn)今高的壓力，比如在壓強(qiáng)高于262吉帕的情況下，其就可以以水合硅酸鎂的形式儲(chǔ)存水分。

計(jì)算表明，理想狀態(tài)下早期地球內(nèi)部以水合硅酸鎂的形式最多可以儲(chǔ)存8倍于現(xiàn)今海洋質(zhì)量的水。

隨著核幔分離的進(jìn)行，鐵質(zhì)核區(qū)逐漸長(zhǎng)大，從而將硅酸鹽抬高并降低其所受壓力，迫使水合硅酸鎂分解釋放水分。而釋放出的水分通過(guò)復(fù)雜的地球物理和化學(xué)過(guò)程到達(dá)地表。此時(shí)，地表已經(jīng)足夠冷卻，能夠保證液態(tài)水的存在，形成原始海洋。

而水合硅酸鎂的分解產(chǎn)物，硅酸鎂和氧化鎂被留在下地幔，至今仍發(fā)揮著重要作用。

“水合硅酸鎂的發(fā)現(xiàn)對(duì)于人類(lèi)認(rèn)識(shí)其他類(lèi)地行星，尤其是超級(jí)地球中的物質(zhì)循環(huán)也具有重要意義。”董校表示，這項(xiàng)研究填補(bǔ)了含水硅酸鹽體系在數(shù)百吉帕壓力下物質(zhì)存在形式的空白，開(kāi)拓了早期地球水和輕元素循環(huán)的新視角，加深了人們對(duì)核幔分離過(guò)程中物質(zhì)存在和循環(huán)過(guò)程的理解。

對(duì)此研究成果，瑞士的行星科學(xué)家拉維特·哈立德（Ravit Helled）評(píng)論說(shuō)：“水的起源是關(guān)乎我們行星形成的重要開(kāi)放性問(wèn)題之一，我們至今仍并不確定現(xiàn)在地球深處到底有多少水；如果像董校及其合作者預(yù)言的那樣地球的核區(qū)在早期地球中能夠充當(dāng)水的載體，那么在其他類(lèi)地行星中，也會(huì)有相似的水儲(chǔ)存過(guò)程，并影響他們的演化。”

生命的起源與進(jìn)化，這一切都離不開(kāi)水。

圖片來(lái)源：NASA

延伸閱讀：

地球水的“第四種形態(tài)”

地球上的水絕大多數(shù)其實(shí)并不是以我們所熟知的冰、水、氣3種形式存在。水還有另外一種存在形式，這種形式異乎尋?！蔷褪欠獯嬖趲r石中的水。

可以說(shuō)，這些巖石像一個(gè)巨大的水庫(kù)，它的含水量至少與地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起來(lái)一樣多，或許還是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它們一直被深埋在我們腳下410千米處。

這種奇特的“第四種形態(tài)”的水，還可能隱匿在你家的廚房中。如果你家廚房的綠石灶臺(tái)是用蛇紋石做成的，假設(shè)一塊蛇紋石的灶臺(tái)面板重約90千克，在這塊石頭中，就有約10千克會(huì)是水，即石頭中可能融入了10升水。但是，這種融合并不像把雞蛋攪在稀面糊中那樣，而是水融進(jìn)礦石的每個(gè)分子中，即裹在構(gòu)成蛇紋石的鎂、硅和氧原子的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中。幾乎地下410千米深處的礦石大都以這樣的方式融進(jìn)了水——在410千米厚的巖石疊加在一起所產(chǎn)生的重力，以及約1093.33攝氏度高溫加熱的共同作用下，一個(gè)氫原子會(huì)離開(kāi)水分子，留下一個(gè)羥基，而這個(gè)氫原子會(huì)融入礦石分子。科學(xué)家把這種融入水的礦石稱為“水合礦物質(zhì)”，即“水巖”。

可以這樣形象地解釋：在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο?，某種礦石的確將水吸入其分子結(jié)構(gòu)中，就像海綿吸水一樣。而水分子進(jìn)入礦石就會(huì)分解，分解為一個(gè)氫原子和一個(gè)羥基。所以礦石中絕對(duì)有水。

科學(xué)家認(rèn)為，這種水巖遍布地下400—650千米的深處，厚達(dá)240千米，比地球表面的水層還要厚。即使這種礦石的含水量只有1%，其水量也很大，實(shí)際上已相當(dāng)于地球海洋水量的幾倍。

關(guān)于水與生命的關(guān)系，還有許多未解之謎，等待科學(xué)家進(jìn)一步探索。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703

綜合來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)、新華網(wǎng)、南開(kāi)物理、中科院地質(zhì)地球所等