地幔中的水比海洋总和还要多？探寻隐藏在地球深处的海洋

含水矿物揭示出地幔能容纳比所有海洋总和还多的水，那这些水从何而来？美国西海说神聊年夜学的保险箱里放着几百颗从巴西土壤中挖出来跟卵石巨细一般的钻石。对一些人来说，这些石头可能毫无价值。西海说神聊年夜学矿物学家史蒂夫·杰克布森说：它们像是被扔进洗衣机蒙受过重创一样，颜色年夜多是深色或黄色，与珠宝商求之不得的原始宝石相差甚远。然而对于像杰克布森如许的研究人员来说，这些被锁在钻石内部的晶体碳碎片半斤八两珍贵，此中的矿物微粒形当作于地下数百公里的地幔深处。

博科园-科学科普：此中一些矿物微粒甚至难以被显微镜不雅测到，与此同时它们也给研究人员供给了勘察地球内部的机遇。2014年研究人员不雅测到这些矿物质中含有某种不起眼的物质——水，但因为水呈现的地址尤为特别，这让研究变得十分有趣。矿物质检测出的水并不是真实水滴，甚至不是H20分子，但它含有氢和氧原子而且嵌在矿物自己的晶体布局中。这种含水矿物质并不潮湿，但当它融化时会溢出水。这一发现第一次直接证实了上下地幔的过渡区(地下410km-660km)存在含水矿物。

图片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine

从那时起，科学家们发现了更多让人兴奋的证据。本年3月，一个研究小组传播鼓吹他们从地幔中发现了钻石，而且这些钻石内部有水存在；他们经由过程地动数据还绘制了地球内部年夜部门地域的亲水矿物分布图。此刻一些科学家认为，地球深处暗藏着一个庞大水库。若是把地球上所有地表水看作是一个海洋，那么地下将会有好几个如许的海洋存在，这将改变科学家对地球内部的认知，但新问题也接踵而至：水从何而来？

1、水宿世界

没有水，地球上的生命将不复存在，这个布满活力、有生命的星球也不会存在。水在板块机关中起着至关主要的感化，诱发火山喷发，并帮忙部门上地幔更自由地流动。尽管如斯，年夜部门地幔还相对干燥。上地幔本家儿要由尖晶橄榄石组成，这种矿物不克不及储存良多水。但在410公里以下的过渡区，高暖和高压将橄榄石挤压当作一种被称为wadsleyite的新晶体布局。

• 这颗来自巴西Juina的钻石最初在地球深处形当作。它内部存有一种含有水矿物——菱镁石。图片版权：University of Alberta

1987年科罗拉多年夜学矿物学家乔·史姑娘意识到wadsleyite晶体布局会受到裂缝影响，这些空地为氢原子与氧原子连系供给了杰出前提。史姑娘发现，Wadsleyite可以潜在地攫取年夜量氢气，将其转化当作一种含水矿物质，在融化时就会发生水。对于像史姑娘如许的科学家来说，氢气就意味着水分子。在过渡带更深处，wadsleyite会酿成尖晶橄榄石，在尝试室里，杰克布森(上宿世纪90年月他是史姑娘的研究生)经由过程挤压和加热尖晶橄榄石碎片来模拟过渡区的极端前提。

研究人员对wadsleyite和尖晶橄榄石两者进行了类比尝试，成果发此刻过渡区，这些矿物质中的水含量可以达到自身重量的1%到3%。考虑到过渡带年夜约有250公里厚，约占地球质量7%(地壳只占1%)，是以它可能蕴含数倍于地球海洋水量。然而，这些尝试只能测量出地幔容纳水量。俄亥俄州立年夜学地球物理学家温迪·帕内罗说：这不是测量海绵含水量的尝试，而是在测量海绵能容纳几多水。尝试成果也纷歧心猿意马真实靠得住，因为研究人员今朝只能在人工培育的尖晶橄榄石长进行尝试。直到2014年，除了在一些陨石中存有尖晶橄榄石外，还没有人在天然界中见到过尖晶橄榄石。

图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

2、诱人的线索

当球迷们堆积在巴西不雅看2014年宿世界杯时，一小群地质学家前去巴西利亚以西约2000公里的城市胡尼纳四周的农田中寻找从本地河道淘来的钻石。因为钻石在高温高压下形当作，所以可能携带着少量矿物。因为钻石十分坚硬，当它们被火山喷发到地表时，内部的地幔矿物被很好地保留了下来。研究人员采办了1000多颗黑点最多、富含矿物质的晶体。此中一名科学家格雷厄姆·皮尔森将数百颗钻石带回了他在阿尔伯塔年夜学的尝试室。

研究发现它不仅是含水的尖晶橄榄石，并且含水量约为1%。新墨西哥年夜学地动学家布兰登·施曼特说：就可托度而言，这是一个主要发现，科学家们初次获得了过渡带水化样本，那么认为过渡带的其他部门也有水合物的设法毫不疯狂。若是认为一个晶体代表了整个过渡区的平均值，那这就有点疯狂了。究竟结果钻石只有在特心猿意马前提下才能形当作，而这个样本可能来自于含水多的地域。

• 艾伯塔年夜学地球化学家格雷厄姆·皮尔森带领团队从地幔中发现了含水矿物。图片版权：Natasha Barrett

为了领会水合尖晶橄榄石的分布环境，施曼特和杰克布森等人一路用地动波绘制了一份地图。因为对流感化，水合尖晶橄榄石会下沉，当它下降到过渡区以下区域时，上升压力会将水挤出，导致矿物融化。在地幔物质下降的过渡带下方，这些熔融矿物会让地动波俄然减速。经由过程测量海说神聊美地域的地动波速度，研究人员发现，在过渡带之下，如许的水池确实很常见。在欧洲阿尔卑斯山下测量地动波的研究也发现了近似例子。

本年3月，由拉斯维加斯内华达年夜学矿物学家奥利弗·茨亨纳带领的研究小组发现了含有现实水冰碎片的钻石，这是研究人员初次从地幔中不雅测到自由存在的水分子。这些样品可能更有利地申明了形当作钻石的前提十分潮湿，而无法申明水遍及存在于储层。这种水被称为ice-VII高压水，南非和中国的很多处所都有它呈现，是以它分布可能相对普遍。卡内基科学研究所地质学家史蒂文·施莱伊 说：几年后会发现ice-VII加倍遍及，它也将告诉我们它和尖晶橄榄石有着不异履历。但若是真是如许，地幔里布满了水，那水是若何达到地幔的呢？

3、水的发源

按照尺度说法，地球的水资本来自于外太空。地球四周的太阳形当作区域太热以至于水等挥发性化合物无法固结；是以新生的地球起头变得干燥，直到来自遥远太阳系富含水分的天体撞击地球并将水输送到地表时，地球才起头变得潮湿。撞击地球的年夜部门天体可能不是彗星，而是被称为碳质球粒陨石的小行星，它携带了自身20%重量的水，储存在氢状的尖晶橄榄石中，可是若是在过渡区有年夜量水资本，水发源说法将不得不改变。

• 西海说神聊年夜学矿物学家史蒂夫·杰克布森认为地幔可以比地球海洋容纳更多的水，图片：J.R. Smyth

若是过渡带能将其重量1%储存在水中(适度估量)，它将能容纳两倍的地球海水资本。固然下地幔更为干燥，但体积也更年夜，而且可能会成长当作容纳宿世界上所有海洋的地域。固然地壳中也有水存在，但以今朝的速度，俯冲接收这么多地表水，所需时候生怕比地球的春秋还长。若是是如许，至少地球内部的一些水一向都在地幔。尽管早期的太阳系中的热量很高，但水分子可能会粘在尘埃颗粒上，从而形当作地球。然而地幔中的总水量高度是一个不确定的数字，在低处的地幔含水量只有宿世界海洋的一半。

在高端，地幔可以容纳两到三倍多的海洋水，若是可以容纳更多的水，年青地球的额外热量会使地幔变得过于潮湿松软，从而年夜陆板块就不会断裂，而今天的板块机关可能永远不会起头。耶鲁年夜学的地球物理学家Jun Korenaga说：若是地表有良多水，无疑是个好成果，若是地幔中有一堆水，那生怕就很糟糕了。别的下地幔也仍有谜题未解，在那边极端的压力使尖晶橄榄石酿成了底子不克不及容纳水的硅钙石。然而，比来的研究表白那边存在新含水矿物——D期和h期，这些矿物事实是什么样，能储存几多水量，仍是一浩劫题。

因为这是一个很是开放的问题，地幔的水含量仍有待会商。测量地球内部蓄水并不轻易，有但愿的方式是测量地幔的导电性，可是这项手艺还没有像地动波那样进步前辈。固然地动波供给了地球内部视野，但图片并不老是很清楚。因为这些旌旗灯号很微妙，所以研究人员需要更切确的数据和更真实的地幔物质来领会地球内部储水环境，而不仅仅凭借尖晶橄榄石和wadsleyite来下结论。过渡区60%都是尖晶橄榄石和wadsleyite，其余的是其他矿物质和化合物的复杂夹杂物。

寻找更多富含含水矿物质的钻石对研究也会有所帮忙。在杰克布森的尝试室里，这项工作落到了研究生米歇尔·温茨的肩上。她在阿贡国度尝试室利用壮大的X射线来绘制每一个矿物黑点的位置，此中几颗可能有六个矿物黑点。为了识别矿物质，将X射线照射到每个位置点上，并测量射线是若何散落其晶体布局。尝试室里的数百颗钻石全数来自巴西，她查验了年夜约60次，没有发现水存在。不管有没有水，这些来自深海的钻石仍然令人赞叹，它们每一个都是并世无双的，就像雪花一样斑斓别致。

博科园-科学科普｜文：Marcus Woo/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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