從“濃湯”到“清流”， 鋯石把淡水形成時(shí)間提前8億年？

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

水，是大家再熟悉不過(guò)的東西，每天的衣食住行都離不開(kāi)它。但不知道各位有沒(méi)有想過(guò)一個(gè)問(wèn)題：早期地球上的水里混雜著各種重金屬、礦物質(zhì)以及溶解氣體，與現(xiàn)代淡水完全不同。這鍋“濃湯”是什么時(shí)候“變淡”的？

在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們需要先了解什么是水循環(huán)。

水循環(huán)是指地球上各種形態(tài)的水，在太陽(yáng)輻射、地球引力等作用下，通過(guò) 蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)降落、下滲和徑流等環(huán)節(jié)，不斷發(fā)生的周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)過(guò)程（水相不斷轉(zhuǎn)變的過(guò)程）。水循環(huán)主要包括分類：海陸間循環(huán)、陸地內(nèi)循環(huán)和海上內(nèi)循環(huán)。

海陸間循環(huán)指的是海水蒸發(fā)成水汽進(jìn)入大氣，水汽隨氣流移動(dòng)并在陸地上冷卻凝結(jié)為降水，降水形成地表徑流和地下水流回海洋。而陸地內(nèi)循環(huán)和海上內(nèi)循環(huán)則不同于海陸間循環(huán)。陸地內(nèi)循環(huán)是降水直接在陸地上被蒸發(fā)或植物蒸騰返回大氣，不直接涉及海洋。海上內(nèi)循環(huán)是完全發(fā)生在海洋上的水汽蒸發(fā)和凝結(jié)過(guò)程。

水循環(huán)使得全球維持水量平衡，確保水資源的持續(xù)可用性。同時(shí)，可以更新和補(bǔ)充陸地上的淡水資源，使之成為可再生資源；還能調(diào)節(jié)全球熱量平衡，通過(guò)水的相變（蒸發(fā)吸熱、凝結(jié)放熱）影響氣候。不僅如此，還能塑造地表形態(tài)，如通過(guò)侵蝕、搬運(yùn)和沉積作用改變地形。

地球上自出現(xiàn)水以來(lái)，就一直處于這樣的循環(huán)當(dāng)中。在這個(gè)過(guò)程中，地下水會(huì)滲透到地殼深部，參與巖漿的形成。所以，巖漿冷卻結(jié)晶形成的礦物當(dāng)中就會(huì)保留水的同位素信息。近期，科學(xué)家通過(guò)分析古老鋯石中的氧同位素比例來(lái)推斷出了地球淡水出現(xiàn)的時(shí)間。

鋯石是一種常見(jiàn)的礦物，一般是火山巖漿冷卻的副產(chǎn)物。由于極高的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，鋯石能夠在極端地質(zhì)條件下不被破壞，保存下來(lái)，所以它經(jīng)常被科學(xué)家當(dāng)成存儲(chǔ)了地球早期同位素比值等化學(xué)信息的“硬盤”，其中包含了有關(guān)地球內(nèi)部構(gòu)造、地殼形成以及環(huán)境條件等方面的關(guān)鍵信息。

那鋯石是如何記錄地球淡水形成的信息的呢？

氧有三種穩(wěn)定同位素(16O、17O、18O)，其中18O原子質(zhì)量比其他兩種氧同位素大，更重，更容易在蒸發(fā)過(guò)程中留在液體水中，而更輕的16O則更容易飛起來(lái)進(jìn)入水汽中。蒸發(fā)過(guò)程中，水汽中16O 的含量會(huì)高于原始水體，相應(yīng)地，原始水體中18O 的比例也會(huì)比之前更高。這個(gè)過(guò)程叫做同位素分餾。在水通過(guò)降雨返回地面并最終流入海洋這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，隨著水汽移動(dòng)和冷卻,18O會(huì)優(yōu)先凝結(jié)降落到海洋中，剩余水汽16O的含量越來(lái)越高。這就導(dǎo)致海洋中18O的含量越來(lái)越高，遠(yuǎn)離海洋的降水中，16O含量更高。

如果鋯石中記錄的氧同位素比值顯示出與現(xiàn)代淡水相近的特征，說(shuō)明當(dāng)時(shí)可能已經(jīng)存在類似現(xiàn)代的淡水循環(huán)系統(tǒng)。

這項(xiàng)研究成果或?qū)⒌厍虻霈F(xiàn)時(shí)間至少提前8億年，遠(yuǎn)早于之前認(rèn)為的約32億年前。這就意味著可能在約40億年前，地球上就已出現(xiàn)陸地和淡水。

該發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)并修正了我們對(duì)地球早期環(huán)境演化的理解，這一成果對(duì)于探索其他行星或衛(wèi)星上是否存在或曾經(jīng)存在適宜生命條件提供了新的視角和標(biāo)準(zhǔn)，有助于指導(dǎo)我們?cè)谟钪嬷袑ふ彝庑巧牟呗?。此外，它還強(qiáng)調(diào)了地球系統(tǒng)科學(xué)中長(zhǎng)期水循環(huán)過(guò)程的重要性，為理解氣候變化和預(yù)測(cè)未來(lái)水資源趨勢(shì)提供了更深遠(yuǎn)的背景。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：董漢文

審核：肖龍 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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