地球曾经是一个水球吗?地表水的前世今生,水所经历的奇妙旅程

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 。
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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) 。
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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 。
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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:GettyImages/anuwatmeereewee.
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地球曾经是一个水球吗?地表水的前世今生,水所经历的奇妙旅程】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 。
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金刚石压砧工作原理 , 图源:TeachTheEarth
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 。
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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 。
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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:GettyImages/ChristophBurgstedt/SciencePhotoLibrary 。