More  

收藏本站

電腦請使用 Ctrl + D 加入最愛
手機請使用 收藏
關閉

小編的世界 優質文選 宇宙

地球曾經是一個水球嗎?地表水的前世今生,水所經歷的奇妙旅程


字體大小:
2022年4月21日 -
:       
 

研究表明,地幔之中儲存著大量的礦物和水。

簡介:研究表明地球表面可能曾經被水完全淹沒,科學家認為地球的整個地幔可以容納了地球表面海洋所含水量的2.3倍。

一個巧妙的新研究結合了物理模型和實驗,越來越多的證據表明,地球在數十億年前是一個水之世界,那個時候的地球被大量的水覆蓋,水量是現在地表水的兩倍之多,甚至淹沒過了最高峰。

這不是證據,但事情真的開始證明情況就是這樣。

謎底就在地幔上。地幔是一層溫度極高的非融化的岩石層,它在相對較薄的地殼之下,向下延伸將近3000千米,占地球質量的三分之二。地幔極高的壓力和溫度造就了一些地表所沒有的礦物,像瓦茲力石(wadsleyite)、林伍德石(ringwoodite)、和布理奇曼石(bridgmanite)這些橄欖石(olivine)。

圖源:T. Kawazoe

amocity
amocity

  


這些礦物有儲水結構,最多可以儲存他們自身重量的百分之三的水。這聽起來似乎也不是很多,但是別忘了,地幔占據地球絕大部分的質量。那裏有非常多的這些礦物,並且它們儲存著大量的水。

地球的主要層是由薄岩殼(8-40千米),溫度極高但是是固體岩石的地幔(2900千米),液態金屬的外核(2250千米),和固態金屬的內核組成(1300千米)。圖源:Getty Images / anuwat meereewee.

關鍵的問題就是,它們現在儲存了多少水,在過去又可以儲存多少?已經有實驗模擬出了地幔的情況,科學家們用金剛石壓砧把礦物質粉碎,然後加熱至高溫之後測量有多少水,得出這些礦物的儲水能力。

金剛石壓砧工作原理,圖源:Teach The Earth

新研究主要是看那些礦物在不同的壓力和溫度之下的儲水能力,用礦物的行為模式來擬合數據。他們的發現頗為可觀:地球的整體地幔的容納量,是如今地表海洋質量的2.3倍,更准確來說是在1.9倍到4.4倍之間,平均是2.3倍。換言之,如果你想把氣球上所有的水拿出來--大約是1.4x10^18噸重,14後面加17個零的噸位--地幔中的礦物可以儲存超過其兩倍的水量。

它現在可以並且就儲存著那麼多的水。在過去,地幔的溫度比現在更高,這就是新研究的有趣之處了。30-40億年之前地幔的溫度比現如今高出大約300攝氏度(如今的溫度大約是1300攝氏度)。回到實驗並且通過它們的模型,科學家們發現如果這些礦物的溫度更高,它們的儲水量反而更少。更高溫礦物的儲水量,僅僅是現在地表海洋質量的0.52-1.69倍之間,平均是0.8倍。

這明顯更少了。如果現在地幔的最大容水量是正確的,這就意味著過去地幔中所容納的水比現在的少。也就是說,現在地幔之中如此之多的水一定是來自某個地方。

裂穀(右)是構造板塊分裂的地方。隱沒帶(左)是一個板塊潛入另一個板塊下方的地幔之中的地區。圖源: Getty Images / Christoph Burgstedt / Science Photo Library。

根據科學家們的設想,在遠古時期,地表曾經有更多的水,可能是現在地表水的兩倍之多。這些水滲透進入地殼的裂縫之中,這可能使地殼弱化,板塊構造第一次開始了。當一個板塊帶著地表水一起滑到另一個板塊下方時,這些水被儲存在了地幔之中。隨著時間的流逝,地幔逐冷卻,它可以容納越來越多的水,因為隨著地幔逐漸降溫,瓦茲力石和林伍德石也更容易形成,所以它們幫助地幔容納更多的水。久而久之,地幔吸收了地表大約一半的水,才有了今天我們所看到的世界。

直到我讀了這個論文之後我才了解到,地表水通過隱沒作用深入地幔,然後火山又把地幔裏的水釋放出來。這一循環交換的過程所造成的淨效果就是,地表水流失到地幔中,估計每年就有十億噸之多!這著實震驚我一把。

這相當於每年一立方千米的速度。它可能看起來很多,但是對於浩瀚的海洋來說只是毛毛雨。然而,經過十億年那也積累很多了。交換的淨額隨著時間的推移而改變,這是毋庸置疑的,不過在地球的一生中,這些損失造成了地表海洋減半*。

還有其它的證據表明遠古的地表有更多的水。包括同位素比例的變化和其它礦物學研究,(如果這聽起來很耳熟,火星在數十億年之前可能也發生過相似的事)。

amocity
amocity

  


在地球很年輕的時候,它可能被水覆蓋著,如圖所示,圖源:蓋蒂圖片社(Getty Images)/馬克-沃德 (Marc Ward)/斯多克瑞克圖片社 (Stocktrek Images)

“水之地球”是近年來一個有趣的概念,也有電影以此為背景。這不僅僅是一個隨想,它還可以改變我們對生命起源的認知。關於生命起源的一個理論是,有機分子和其它物質集中在陸地上的潮汐池裏,它們混合在一起並且變得更複雜,最後甚至出現了生物狀態。如果沒有陸地,這一切是不可能發生的。另一方面,這可能會強化這樣一個理論,即生命是由海底深處的海底熱泉形成的,那裏的化學物質和熱量從地殼深處噴出,可以做到這一點。

海底熱泉,圖源:維基百科

我們的存在是否歸功於稍熱一點的地幔,和奇怪的像瓦茲力石、林伍德石、和布理奇曼石這樣,最近才發現的礦物?

地球能夠達到如此微妙的平衡狀態是難以想象的,但是我們就在這裏不是嗎?我們的生物圈是脆弱的,受到無數力量的影響,可以使其發生巨大的改變。我認為,這是非常重要的一點,我們需要牢記在心。

*星號補充:以前是這樣。由於全球變暖,北極、南極、和格林蘭島的冰蓋融化,這些融化的冰造成地表水以平均每年1500億噸之數增加,遠遠超過了流失到地幔中的數量。

BY: Phil Plait

FY: 青山綠水

如有相關內容侵權,請在作品發布後聯系作者刪除

轉載還請取得授權,並注意保持完整性和注明出處