这重大发现让科学家们重新思考地球的水是从哪里来

世界未解之谜2021-09-11 14:57:32

火山或是彗星?

地球一直是一颗蓝色星球长达38亿年。古代的沉积岩层和岩浆冷却成独特的枕头形状,提供了不能否认的证据,证明液态水存在于地球表面至少有这么长的时间。

但考虑到星系中有多少个荒芜的岩石,地球丰富的海洋引起所有这些水来自哪里的问题。地球科学家持续辩论着两个相互竞争的理论。

有人认为地球的水可能来自于小行星和彗星撞击地球。但最近的研究加强了其他假设的情况,水一直是存在于地球地幔的岩石中,并透过火山爆发逐渐释放到地表。

但更重要的是要确定是哪种机制,这不仅可以让我们更加了解地球的历史,而且还有助于我们寻找能够支持生命的其他行星。

1974年,科学家发现地球的地幔含有比你想像还要多的贵金属,例如铂(白金)。这些元素被自然地吸引到铁,所以它们绝大多数在地球早期被拉到地球的铁核心。

这导致这样的想法,在地球动荡的婴儿期过后不久,小行星撞击地球,提供一层额外物质。

这种’后增薄层(late veneer)’可能不仅含有贵金属,还包含’挥发性’物质,例如碳和水。这是已知存在于一种名为碳质球粒陨石(carbonaceous chondrites)的小行星类型。

但最近的研究使得这种水捕获假说似乎是非常不太可能。

2017年1月,一项研究显示,地球地幔中的钌元素(一种喜爱铁的金属)类型与从太阳系外常见的小行星所发现的钌, 有不同的原子特征。

钌原子特征不同暗示着后增薄层是来自于挥发性物质稀少的太阳系内部。因此,这些小行星不是地球上的水的主要水源。

这扩大其他研究认为,在后增薄层形成之前,水在地球上是丰富的。

例如,有各种证据显示,最早的陆地矿物(锆石,zircon)的结晶化是来自岩浆源与液态水相互作用。这些矿物形成的时间是在41亿年前到43亿年前之间,但最后的后增薄层最常被认为是在大约39亿年前形成的。

更重要的是,只是因为小行星携带水,并不意味着它可以成功地把水运送到地球。

事实上,科学家现在相信,在早期猛烈的小行星撞击时期,地球有可能是失去质量,而不是获得质量;这种过程被称为碰撞侵蚀(collisional erosion)或撞击侵蚀(impact erosion)。

这仍然是一个未经证实的假设。但在加拿大萨德伯里(Sudbury)陨石撞击坑的一项最新研究,揭露出碰撞蒸发掉大部分挥发性金属铅的证据。这暗示像水这样更容易挥发的物质也会在撞击中失去,跑到太空去。

地球海洋可能非常早形成的最后一个线索是,地球上有比你所想像还要多的氯。

地球早期存在的液体水会溶解氯,因此有助于防止失去它,跑到太空去。

最后,不同于行星科学家,地球化学家长期认为,地球的海洋不是来自于捕获冰冷的彗星,因为它们包含有不同数量的’重’氢。

从内部脱气

所有这些证据认为,地球表面的水或是’液体水气(liquid hydrosphere)’,实际上是藉由从地球内部的脱气(degas)所累积形成的。

水是以困在矿物中的羟基(hydroxyl group,一个氢原子和一个氧原子)形式,存在于地球的地幔中;例如尖晶橄榄石(ringwoodite)。

当地幔岩石熔化时,水会溶解到岩浆里。当岩浆朝向地表上升并冷却时,压力降低,晶体形成,然后水被释放,并且以蒸气形式经由火山爆发排出。

以这种机制,来自很深层的水可以脱气到地球表面。

开创性的实验成果显示,在150公里到200公里(90英里到120英里)深度的矿物可能含有水。但是最近,实验、模型製作和地震数据显示,水也可能在地表以下深达400公里到660公里(250英里到410英里)的地方被发现。

来自于科学家研究钻石晶体如何形成地下深层的最新数据显示,水有可能被储存在更深的地下。这个实际上来自地幔深层矿物的新证据,肯定使得地球表面的水来自地下深层的想法,似乎更为可能。

但重要的是要知道水也可以循环回到地幔,这意味着在海洋中的水和储存在地幔中的水之间有一个平衡,我们只能猜测还有多少水可能被锁在这些深处。

我们的确知道的是,经过将近四十亿年,海平面的平均水位相对于大陆陆地,一直保持着相对固定。

这个现象显示水从地幔涌出并被吸收回地幔的持续循环,相当有助于生命在这个星球继续穿越历史。

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