地球的水從哪里來？ 我國最新科研成果為理解生命演化提供新思路

圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

地球上的水從哪里來？對于這個問題，眾說紛紜。而解開這個謎題，對于理解生命如何出現(xiàn)以及地球內(nèi)部動力學(xué)如何隨時間演化至關(guān)重要。

日前，南開大學(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《物理評論快報》上。

論文截圖。

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

地球水起源長期存爭議

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

水何時出現(xiàn)？也存在著爭議。曾經(jīng)，在對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，使得地球成為一個名符其實的“水球”，也讓地球成為一個生機(jī)勃勃的活力星球。

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最近，越來越多的證據(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星云，遠(yuǎn)低于彗星等太陽系外圍物質(zhì)。這給地球內(nèi)部的水可能直接來自原太陽星云的觀點提供了有力證據(jù)。

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

然而，這一假說存在相當(dāng)大的問題。與其他行星材料如鐵、硅酸鹽相比，水的熔點和沸點要低得多，因此在新生地球數(shù)千度的炙熱表面，水會被蒸發(fā)到太空中。由此可見，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被釋放出來。然而這一過程中的物質(zhì)存儲形式尚不明確。

發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的含水新礦物

通過第一性原理計算和結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在數(shù)百萬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)別為鎂離子周圍具有不同的氧原子數(shù)。

圖片來源：“南開物理”（南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院官方微信公眾號）

第一性原理計算表明，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)其他報道的氫氧礦物的含水量。

“理論計算表明，這種水合硅酸鎂耐熱性遠(yuǎn)好于其他含水礦物，即使在8000開爾文高溫下，也沒有分解或融化的跡象。”董校說。

圖片來源：“南開物理”（南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院官方微信公眾號）

在早期地球內(nèi)部，因為核幔尚未分離，硅酸鹽和過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存水分。

計算表明，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復(fù)雜的地球物理和化學(xué)過程到達(dá)地表。此時，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)對于人類認(rèn)識其他類地行星，尤其是超級地球中的物質(zhì)循環(huán)也具有重要意義。”董校表示，這項研究填補(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，開拓了早期地球水和輕元素循環(huán)的新視角，加深了人們對核幔分離過程中物質(zhì)存在和循環(huán)過程的理解。

對此研究成果，瑞士的行星科學(xué)家拉維特·哈立德（Ravit Helled）評論說：“水的起源是關(guān)乎我們行星形成的重要開放性問題之一，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，那么在其他類地行星中，也會有相似的水儲存過程，并影響他們的演化。”

生命的起源與進(jìn)化，這一切都離不開水。

圖片來源：NASA

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地球水的“第四種形態(tài)”

地球上的水絕大多數(shù)其實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，這些巖石像一個巨大的水庫，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是用蛇紋石做成的，假設(shè)一塊蛇紋石的灶臺面板重約90千克，在這塊石頭中，就有約10千克會是水，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)礦石的每個分子中，即裹在構(gòu)成蛇紋石的鎂、硅和氧原子的點陣結(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，一個氫原子會離開水分子，留下一個羥基，而這個氫原子會融入礦石分子?？茖W(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)入礦石就會分解，分解為一個氫原子和一個羥基。所以礦石中絕對有水。

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

綜合來源：科技日報、新華網(wǎng)、南開物理、中科院地質(zhì)地球所等