地球是……漂浮在宇宙中的大“椰子”？

作者： 杨凡（中国科学院地质与地球物理研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

下面这段话估计大家都不陌生：

“如果把地球内部结构做个形象的比喻，它就像一个鸡蛋，地核（包括内核和外核）就相当于蛋黄，地幔就相当于蛋白，地壳就相当于蛋壳。”

（图片来源：中国科学院测量与地球物理研究所）

但是！如果说地球也像椰子一样，里面有很多“水”，你能理解么？

（图片来源：veer图库）

近日，发表于《自然·地球科学（nature geoscience）》的一项研究表明，地球的核心可能包含了地球上大部分的水，比地表的海洋要多得多。（是不是更像个椰子！）

地球上的水从哪里来？

从“水石相激，山谷轰鸣”，到打开水龙头，源源不断的水哗啦啦地从手上流过，你是否想过，打从“盘古开天地”，地球上就有五大洋了吗？还是后期演化过程中“生成”的？

小知识：

外源说，地球上的水来自地球之外的物质，如彗星、富含水的小行星、太阳风等。

内源说，地球上的水起始于地球形成初期，在形成地球的原始太阳星云气体和尘埃等物质中就含有水，进而分布在地球各个圈层。

“蓝星”上的水从哪里来？“外源说”？“内源说”？还是两者的共同作用？这一系列问题的答案制约着人类对于地球形成演化过程的认知，也限制着人类去探索定地球上生命系统的形成与演化。

（图片来源：veer图库）

科学家在这篇论文（戳“阅读原文”看论文）里认为，地球可能在其演化早期（45亿多年前）从富含氢（H）的太阳星云中获得了大量的水（H-O物质成分），随着后续的演化，部分氢-水（H-H2O）物质可能和其他物质一起聚合于地核中，这也为地球的水起源于自身增添了一个强有力的证据。

震惊！地核中也有水？！

地球深部的水并不是我们看到的地球表面液态、气态或固态的水，而是以水分子的形式存在的结构水，包括OH—、H+等与H有关的缺陷水，其载体可以是矿物、熔体和流体等（地球科学界之所以将各种含H相都泛称为“水”，是由于H一旦活动，在条件合适的时候，就易于和地球上广泛存在的O结合成 H2O）。例如，科学家通过对天然样品的分析和高温高压实验的观测，表明地球深部的矿物含有主要以 OH 缺陷形式存在的结构水，也就是氢会跟矿物中的氧结合。

研究人员试图通过分析氢（H）在高压和高温下的行为，模拟在地幔和地核边界的氢（H）和周围的物质会发生什么变化。

矿物的结构缺陷中水的形式（Libowitzky,1998）

通过研究，科学家发现，水在地核的形成条件下，具有很强的偏铁性。铁是地核的主要成分之一，偏铁性也就是更容易和含铁物质结合在一起，例如，实验表明，氢元素在地核中也可以以铁的氢化物(FeHx)形式稳定存在。在当前的核幔边界条件下，氢气（H2）和水（H2O）更喜欢呆在地核中，而不是硅酸盐（SixOy）熔体（地幔主要成分）。这意味着，任何保存在基性岩浆中的水都更倾向于分配到地核中。

（图片来源：作者提供）

而且，任何通过俯冲作用（两个板片碰撞时，密度更大的会下沉到地幔中，促进地表和地下的物质交换）添加到地幔最深处的水，现在也有分裂进入地核的趋势，要么直接进入地核，要么与液态铁反应形成氧化铁，释放出氢气进入地核。

（图片来源：作者提供）

由此，科学家得出：地核可能是一个巨大的水库，可能包含了地球的大部分水。这一发现也可以解释我们所测量的地球外核地震波速度大幅度降低、S波速度突然降为零（S波是一种横波，不能在液体中传播，故此推测地球有一个液态外核）。

（图片来源：作者提供）

地幔藏着个“隐形海洋”

此外，之前科学家在地幔也发现了大量结构水的存在。科学家研究发现在地幔转换带（地球内部410~660公里深处）可能存在着一个3倍于地表海洋总水量的“隐形海洋”。在地幔各层圈中，过渡带和下地幔上部含水量最高，大约占地幔总水量的74%以上，与海洋水比较，地幔总水量为海洋的14倍以上。不同的学者对地幔含水量估算的数值上有所不同，但是毫无疑问，地幔中蕴藏了丰富的水。

地幔各层圈主要含水量和总水量（图片来源：谢鸿森，2005）

未解之谜：地球之水何处来？

为了确定水的来源，我们常用氢的不同同位素比值(D/H值)来研究是否为同一来源，不同源区的氢同位素组成差别较大。地球上富含丰富的水是毋庸置疑的，但是这些水的主要来源，还不太确定。

不同源区水的 D/H 值（图片来源：10000个科学难题·地球科学卷）

目前，在地球上水来源的解释还无法协调全部的数据。一方面是由于现有数据与模型的不协调，如多种同位素体系之间的不匹配，各种模型中选择参数的不确定，化学模型与物理模型的不吻合；另一方面则是由于我们的观测手段还不能全面地追踪外太空更多潜在的水源；再者，我们对太空中矿物相的变化及其同位素分馏机制也还没有准确的认识。因此，想要解决这个难题，还需要科研工作者不懈的努力。

参考文献：

[1] Li, Y., Vočadlo, L., Sun, T. et al. The Earth’s core as a reservoir of water. Nat. Geosci. 13, 453–458 (2020). https://doi.org/10.1038/s41561-020-0578-1

[2] 谢鸿森,侯渭,周文戈.2005.地幔中水的存在形式和含水量.地学前缘,12(1): 55-60.

[3] Tschauner O, Huang S, Greenberg E, et al. Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth's deep mantle. Science, 2018, 359(6380): 1136-1139.

[4] 10000个科学难题·地球科学卷《地球上水的来源》