地球这么多水为什么不叫做水球（地球曾经是一个水球吗）

研究表明，地幔之中储存着大量的矿物和水。

简介：研究表明地球表面可能曾经被水完全淹没，科学家认为地球的整个地幔可以容纳了地球表面海洋所含水量的2.3倍。

一个巧妙的新研究结合了物理模型和实验，越来越多的证据表明，地球在数十亿年前是一个水之世界，那个时候的地球被大量的水覆盖，水量是现在地表水的两倍之多，甚至淹没过了最高峰。

这不是证据，但事情真的开始证明情况就是这样。

谜底就在地幔上。地幔是一层温度极高的非融化的岩石层，它在相对较薄的地壳之下，向下延伸将近3000千米，占地球质量的三分之二。地幔极高的压力和温度造就了一些地表所没有的矿物，像瓦兹力石(wadsleyite)、林伍德石(ringwoodite)、和布理奇曼石(bridgmanite)这些橄榄石(olivine)。

图源：T. Kawazoe

这些矿物有储水结构，最多可以储存他们自身重量的百分之三的水。这听起来似乎也不是很多，但是别忘了，地幔占据地球绝大部分的质量。那里有非常多的这些矿物，并且它们储存着大量的水。

地球的主要层是由薄岩壳（8-40千米），温度极高但是是固体岩石的地幔（2900千米），液态金属的外核（2250千米），和固态金属的内核组成（1300千米）。图源：Getty Images / anuwat meereewee.

关键的问题就是，它们现在储存了多少水，在过去又可以储存多少？已经有实验模拟出了地幔的情况，科学家们用金刚石压砧把矿物质粉碎，然后加热至高温之后测量有多少水，得出这些矿物的储水能力。

金刚石压砧工作原理，图源：Teach The Earth

新研究主要是看那些矿物在不同的压力和温度之下的储水能力，用矿物的行为模式来拟合数据。他们的发现颇为可观：地球的整体地幔的容纳量，是如今地表海洋质量的2.3倍，更准确来说是在1.9倍到4.4倍之间，平均是2.3倍。换言之，如果你想把气球上所有的水拿出来--大约是1.4x10^18吨重，14后面加17个零的吨位--地幔中的矿物可以储存超过其两倍的水量。

它现在可以并且就储存着那么多的水。在过去，地幔的温度比现在更高，这就是新研究的有趣之处了。30-40亿年之前地幔的温度比现如今高出大约300摄氏度（如今的温度大约是1300摄氏度）。回到实验并且通过它们的模型，科学家们发现如果这些矿物的温度更高，它们的储水量反而更少。更高温矿物的储水量，仅仅是现在地表海洋质量的0.52-1.69倍之间，平均是0.8倍。

这明显更少了。如果现在地幔的最大容水量是正确的，这就意味着过去地幔中所容纳的水比现在的少。也就是说，现在地幔之中如此之多的水一定是来自某个地方。

裂谷（右）是构造板块分裂的地方。隐没带（左）是一个板块潜入另一个板块下方的地幔之中的地区。图源： Getty Images / Christoph Burgstedt / Science Photo Library。

根据科学家们的设想，在远古时期，地表曾经有更多的水，可能是现在地表水的两倍之多。这些水渗透进入地壳的裂缝之中，这可能使地壳弱化，板块构造第一次开始了。当一个板块带着地表水一起滑到另一个板块下方时，这些水被储存在了地幔之中。随着时间的流逝，地幔逐冷却，它可以容纳越来越多的水，因为随着地幔逐渐降温，瓦兹力石和林伍德石也更容易形成，所以它们帮助地幔容纳更多的水。久而久之，地幔吸收了地表大约一半的水，才有了今天我们所看到的世界。

直到我读了这个论文之后我才了解到，地表水通过隐没作用深入地幔，然后火山又把地幔里的水释放出来。这一循环交换的过程所造成的净效果就是，地表水流失到地幔中，估计每年就有十亿吨之多！这着实震惊我一把。

这相当于每年一立方千米的速度。它可能看起来很多，但是对于浩瀚的海洋来说只是毛毛雨。然而，经过十亿年那也积累很多了。交换的净额随着时间的推移而改变，这是毋庸置疑的，不过在地球的一生中，这些损失造成了地表海洋减半*。

还有其它的证据表明远古的地表有更多的水。包括同位素比例的变化和其它矿物学研究，（如果这听起来很耳熟，火星在数十亿年之前可能也发生过相似的事）。

在地球很年轻的时候，它可能被水覆盖着，如图所示，图源：盖蒂图片社（Getty Images)/马克-沃德 (Marc Ward)/斯多克瑞克图片社 (Stocktrek Images)

“水之地球”是近年来一个有趣的概念，也有电影以此为背景。这不仅仅是一个随想，它还可以改变我们对生命起源的认知。关于生命起源的一个理论是，有机分子和其它物质集中在陆地上的潮汐池里，它们混合在一起并且变得更复杂，最后甚至出现了生物状态。如果没有陆地，这一切是不可能发生的。另一方面，这可能会强化这样一个理论，即生命是由海底深处的海底热泉形成的，那里的化学物质和热量从地壳深处喷出，可以做到这一点。

海底热泉，图源：维基百科

我们的存在是否归功于稍热一点的地幔，和奇怪的像瓦兹力石、林伍德石、和布理奇曼石这样，最近才发现的矿物？

地球能够达到如此微妙的平衡状态是难以想象的，但是我们就在这里不是吗？我们的生物圈是脆弱的，受到无数力量的影响，可以使其发生巨大的改变。我认为，这是非常重要的一点，我们需要牢记在心。

*星号补充：以前是这样。由于全球变暖，北极、南极、和格林兰岛的冰盖融化，这些融化的冰造成地表水以平均每年1500亿吨之数增加，远远超过了流失到地幔中的数量。

BY: Phil Plait

FY: 青山绿水

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