寻找地球深处隐藏的海洋

编译 胡德良

含水矿物显示：地幔含水量比所有海洋的水还要多。现在，研究人员面临一个问题：所有的这些水来自哪里呢？

从巴西的泥土中采集来的数百颗钻石有鹅卵石那么大，存放在美国西北大学的一个保险箱内。对于某些人来说，它们可能毫无价值。西北大学矿物学家史蒂夫·雅各布森（Steve Jacobsen）说：“这些钻石受到了破坏，看起来就像在洗衣机里洗过似的。”其中许多钻石颜色深暗或发黄，远远不是珠宝商梦寐以求的那种原始宝石。

然而，对于像雅各布森这样的研究人员来说，这些结晶碳碎块中的每一块都是珍贵的，不是因为钻石本身，而是因为封锁于内部的物质，这种物质就是形成于地下几百公里处深层地幔中的矿物斑点。

这些矿物斑点中有些斑点太小，即使在显微镜下也看不到。但是，通过这些斑点能够探视无法到达的地球内部。2014年，研究人员看到了嵌入这些矿物中的东西——水，要不是源自地球深处，这些水也十分普通了。

这不是实际的水滴，甚至也不是H2O分子，而是含有水的成分——嵌入矿物本身晶体结构中的氢原子和氧原子。这种含水矿物不是湿的，但是，当将其融化之后，水就会冒出来。该发现是表明富含水的矿物存在于如此深的区域（深度在410千米至660千米之间）的首个直接证据，该区域被称为“过渡带”，是夹在上地幔和下地幔之间的一个区域。

此后，科学家发现了矿物中含水的更多证据。2018年3月，一个研究团队宣布，他们发现了来自地幔的钻石，其内部含有真实的水。通过地震数据，科学家还绘制了整个地球内部大片区域的亲水矿物分布图。现在，一些科学家认为，一个巨大的水库可能就潜藏在我们的脚下。如果我们把地球表面所有的水当作一个海洋，并证明地下存水量相当于好几个海洋，那么科学家对于地球内部的认识将会产生变化。但是，这又引出了另外一个问题：所有的这些水都是从哪里来的呢？

富水星球

这颗钻石来自巴西的朱伊纳市，最初形成于地球深处，该钻石内含有尖晶橄榄石——一种含水的矿物

正如大家所知，没有水，生命将不存在。其实，如果没有水，我们当今所熟悉的这个生机勃勃的地球也不会存在。在板块构造中，水起着不可或缺的作用，而板块构造引起了火山，并帮助上地幔中的部分物质更加自由地流动。然而，地幔中的绝大部分区域是相对干燥的。例如，上地幔主要是由一种叫“橄榄石”的矿物构成，这种矿物不能存储太多的水。

但是，在410千米以下的过渡区，高温和高压将橄榄石挤压成一种新的晶体结构，叫作“瓦兹利石”。1987年，科罗拉多大学的矿物学家乔·史密斯（Joe Smyth）意识到，瓦兹利石晶体结构中可能会充满间隙。事实证明，这些间隙最适合存留氢原子，氢原子可以依附于间隙中，能够跟已经处于矿物中的邻近氧原子结合。史密斯发现，瓦兹利石拥有捕获大量氢的潜力，使其变成含水矿物，一旦矿物融化，就会产生水。对于像史密斯这样的科学家来说，有氢就意味着有水。

在过渡区的更深处，瓦兹利石就会变成尖晶橄榄石。20世纪90年代，雅各布森曾是史密斯的研究生。在实验室里，雅各布森为一块块尖晶橄榄石加压加热，模仿过渡区的极端条件。研究人员利用瓦兹利石和尖晶橄榄石做同样的实验，结果发现：在过渡区中，这些矿物可以容纳的水相当于其自身重量的1%至3%。由于过渡区是大约250千米厚的岩层，大约占地球质量的7%。相比之下，地壳只占地球质量的1%。因此，过渡区所包含的水量可能是地球海洋的好几倍。

然而，这些实验仅能用来测算水的容量。俄亥俄州立大学的地球物理学家温迪·帕内罗（Wendy Panero）说：“这并非测量多孔结构的湿度如何，而是测量这些多孔结构能够容纳多少水。”

另外，这些实验也不一定符合现实情况，因为研究人员只能对实验室培育的尖晶橄榄石进行测试。除了几块陨石之外，没有人见过自然界中的尖晶橄榄石。在2014年之前，情况一直是这样。

有趣的线索

当足球迷聚集在巴西观看2014年世界杯时，一个地质学家小组前往朱伊纳市附近的农场，他们要寻找被当地河流淘出的钻石。

钻石在地幔的高温高压环境下形成，因此钻石能够将星星点点的矿物封存其中。由于钻石非常坚硬，随着火山爆发被喷射到地面之后，其中的矿物就保存了下来。

研究人员购买了一千多块斑点最多的、充满矿物的钻石晶体。其中，阿尔伯塔大学的地球化学家格雷厄姆·皮尔森（Graham Pearson）将几百块钻石带回了实验室。皮尔森及同事在一块特别的钻石中发现了来自过渡区的尖晶橄榄石，而且还是含水的尖晶橄榄石，水分重量大约占1%。

新墨西哥大学地震学家布兰登·施曼特（Brandon Schmandt）说：“这是一项重要的、合理可信的发现。科学家首次获得了过渡区的矿物样品，而且还是含水的。试想一下，过渡区的其他地方也有可能是含水的，这绝对是靠谱的事！”

但是，施曼特补充说道：“认为一块晶体能够代表整个过渡区的一般情况，这不免有点不切实际。”毕竟，钻石只有在特定的条件下才能形成，而且这块样品有可能来自于一个独特的含水区域。

为了搞清含水尖晶橄榄石的分布到底有多广泛，施曼特与雅各布森合作，联合其他研究人员，利用地震波绘制出分布图。由于对流的作用，含水尖晶橄榄石会下沉，随着下沉至过渡区以下，不断升高的压力将水分挤出，导致矿物熔化。就在过渡区下面，地幔物质正在下降，一滩滩熔融矿物会突然减缓地震波。通过测量北美洲地下的地震波速度，研究人员发现：在过渡区之下，这样的熔融矿物似乎很普遍。另外一项研究测量了欧洲阿尔卑斯山脉之下的地震波，也发现了同样的模式。

阿尔伯塔大学地球化学家皮尔森领导的团队发现来自地幔的含水矿物质

2018年3月份，内华达大学拉斯维加斯分校矿物学家奥利弗·乔纳（Oliver Tschauner）带领的研究小组发现了含有实际水冰的钻石，这是第一次观察到地幔中独立存在的H2O。这些样品可能会更好地说明形成钻石的环境是湿润的，而不是无处不在的水库。这是一种高压形式的水，被称为“VII型冰”，存在于南非和中国的众多地方，因此这种形式的水可能会相对普遍。

卡内基科学研究院的地质学家史蒂夫·施莱伊（Steve Shirey）说：“往后几年里，我们将会发现VII型冰更加常见。正如含水尖晶橄榄石那样，VII型冰也使我们了解到同样的情况。”

但是，如果情况是地幔中充满了水，那么留给我们的悬念是：所有这些水是如何到达那里的呢？

水的来源

根据标准的故事传说，地球水应该是外来的。地球形成于太阳周边的区域，而该区域太热，像水这样的易挥发化合物无法凝结。因此，初期的地球一开始是干燥的，直到太阳系远处的富水天体撞击到地球上，将水送到地球表面，地球才开始湿润起来。多数撞击过来的富水天体可能不是彗星，而是叫作“碳质球粒陨石”的小行星，这样的小行星含水的重量可能多达20%，就像尖晶橄榄石一样，其中的水也是以氢的形式储存的。

但是，如果过渡区储存大量的水，这个有关水的起源的故事就不得不改变了。雅各布森说：“保守估计，如果过渡区能够储存的水为其重量的1%，那么这些水就相当于世界海洋的两倍。”下地幔要干燥得多，但其体积也是巨大的，容纳的水量也可能相当于世界上所有海洋之水的总和。此外，地壳中也有水。雅各布森称，以目前的速度，如果要从地表吸收那么大量的水，所需的时间会比地球本身的年龄还要长得多。

如果是这样的话，至少有一部分水必定是一直存在于地球内部的。一些理论认为，尽管早期太阳系的温度很高，但水分子可能会黏附于尘土颗粒上，而这些尘土颗粒聚结起来，形成了地球。

西北大学的矿物学家雅各布森认为，地幔中储存的水量比地球的海洋还要多

然而，地幔中的总水量是一个非常不确定的数字。根据施曼特和其他研究人员的估算，地幔中的水最少可能仅有世界海洋水量的一半，最多可能拥有两倍或三倍于世界海洋的水量。如果比这个水量还要多得多，早期地球就会由于地幔含水量太大、流动性太好而导致大陆板块破裂，当今这样的板块构造可能永远都不会形成。耶鲁大学地球物理学家尤恩·科列纳加（Jun Korenaga）说：“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，仍有许多不确定因素。一个很大的疑问是：下地幔的压力极大，会将尖晶橄榄石变为布氏岩，而布氏岩根本不能储存多少水。然而，最近的研究表明，存在新的含水矿物，叫作“D型岩”和“H型岩”。帕内罗称，有关这些含水矿物到底是什么样子以及它们可以存储多少水，这些都是悬而未决的问题。“由于这些问题还根本没有答案，因此我认为在地幔含水量的问题上仍然存在很大的争议。” 他说。

测量地球内部含水量不是件容易的事。科列纳加说：“一种有希望的方法是测量地幔的电导率。”但是，这项技术还不像地震波技术那么先进。地震波提供的是地球内部全局性的视图，但图像并不总是清晰的。由于信号模糊不清，研究人员需要更加精确的数据，需要更好地了解真正的地幔物质，而不是仅仅去了解尖晶橄榄石和瓦兹利石，这两种矿物大约占过渡区的60%，其余部分是其他矿物和化合物的复杂混合物。

此外，寻找更多内含含水矿物的钻石也会有所帮助。在雅各布森的实验室里，寻找合适钻石的工作由研究生米歇尔·温兹（Michelle Wenz）来做。对于每一块钻石，温兹都要利用阿尔贡国家实验室的高强度X射线来确定每个矿物斑点的位置，而每块钻石中的斑点可能会有六七个。因此，为了识别其中的矿物是什么，她将X射线照在每个斑点上，测量射线如何从晶体结构中散射出来。实验室里的几百块钻石都来自巴西，温兹已经对其中的60多块进行了识别，到目前为止还没有发现水。温兹说：“不管有没有水，这些来自地下深处的密封斑点仍然是令人惊叹的。其中的每个斑点都是那么独特，形状特别像雪花。”

资料来源 Quanta Magazine