地幔中的水比海洋總和還要多？

含水礦物揭示出地幔能容納比所有海洋總和還多的水，那這些水從何而來？美國西海說神聊年夜學的保險箱里放著幾百顆從巴西土壤中挖出來跟卵石巨細一般的鉆石。對一些人來說，這些石頭可能毫無價值。西海說神聊年夜學礦物學家史蒂夫·杰克布森說：它們像是被扔進洗衣機蒙受過重創一樣，顏色年夜多是深色或黃色，與珠寶商求之不得的原始寶石相差甚遠。然而對于像杰克布森如許的研究人員來說，這些被鎖在鉆石內部的晶體碳碎片半斤八兩珍貴，此中的礦物微粒形當作于地下數百公里的地幔深處。

博科園-科學科普：此中一些礦物微粒甚至難以被顯微鏡不雅測到，與此同時它們也給研究人員供給了勘察地球內部的機遇。2014年研究人員不雅測到這些礦物質中含有某種不起眼的物質——水，但因為水呈現的地址尤為特別，這讓研究變得十分有趣。礦物質檢測出的水并不是真實水滴，甚至不是H20分子，但它含有氫和氧原子而且嵌在礦物自己的晶體布局中。這種含水礦物質并不潮濕，但當它融化時會溢出水。這一發現第一次直接證實了上下地幔的過渡區(地下410km-660km)存在含水礦物。

圖片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine

從那時起，科學家們發現了更多讓人興奮的證據。本年3月，一個研究小組傳播鼓吹他們從地幔中發現了鉆石，而且這些鉆石內部有水存在；他們經由過程地動數據還繪制了地球內部年夜部門地域的親水礦物分布圖。此刻一些科學家認為，地球深處暗藏著一個龐大水庫。若是把地球上所有地表水看作是一個海洋，那么地下將會有好幾個如許的海洋存在，這將改變科學家對地球內部的認知，但新問題也接踵而至：水從何而來？

1、水宿世界

沒有水，地球上的生命將不復存在，這個布滿活力、有生命的星球也不會存在。水在板塊機關中起著至關主要的感化，誘發火山噴發，并幫忙部門上地幔更自由地流動。盡管如斯，年夜部門地幔還相對干燥。上地幔本家兒要由尖晶橄欖石組成，這種礦物不克不及儲存良多水。但在410公里以下的過渡區，高暖和高壓將橄欖石擠壓當作一種被稱為wadsleyite的新晶體布局。

這顆來自巴西Juina的鉆石最初在地球深處形當作。它內部存有一種含有水礦物——菱鎂石。圖片版權：University of Alberta

1987年科羅拉多年夜學礦物學家喬·史姑娘意識到wadsleyite晶體布局會受到裂縫影響，這些空地為氫原子與氧原子連系供給了杰出前提。史姑娘發現，Wadsleyite可以潛在地攫取年夜量氫氣，將其轉化當作一種含水礦物質，在融化時就會發生水。對于像史姑娘如許的科學家來說，氫氣就意味著水分子。在過渡帶更深處，wadsleyite會釀成尖晶橄欖石，在嘗試室里，杰克布森(上宿世紀90年月他是史姑娘的研究生)經由過程擠壓和加熱尖晶橄欖石碎片來模擬過渡區的極端前提。

研究人員對wadsleyite和尖晶橄欖石兩者進行了類比嘗試，成果發此刻過渡區，這些礦物質中的水含量可以達到自身重量的1%到3%。考慮到過渡帶年夜約有250公里厚，約占地球質量7%(地殼只占1%)，是以它可能蘊含數倍于地球海洋水量。然而，這些嘗試只能測量出地幔容納水量。俄亥俄州立年夜學地球物理學家溫迪·帕內羅說：這不是測量海綿含水量的嘗試，而是在測量海綿能容納幾多水。嘗試成果也紛歧心猿意馬真實靠得住，因為研究人員今朝只能在人工培育的尖晶橄欖石長進行嘗試。直到2014年，除了在一些隕石中存有尖晶橄欖石外，還沒有人在天然界中見到過尖晶橄欖石。

圖片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

2、誘人的線索

當球迷們堆積在巴西不雅看2014年宿世界杯時，一小群地質學家前去巴西利亞以西約2000公里的城市胡尼納四周的農田中尋找從本地河道淘來的鉆石。因為鉆石在高溫高壓下形當作，所以可能攜帶著少量礦物。因為鉆石十分堅硬，當它們被火山噴發到地表時，內部的地幔礦物被很好地保留了下來。研究人員采辦了1000多顆黑點最多、富含礦物質的晶體。此中一名科學家格雷厄姆·皮爾森將數百顆鉆石帶回了他在阿爾伯塔年夜學的嘗試室。

研究發現它不僅是含水的尖晶橄欖石，并且含水量約為1%。新墨西哥年夜學地動學家布蘭登·施曼特說：就可托度而言，這是一個主要發現，科學家們初次獲得了過渡帶水化樣本，那么認為過渡帶的其他部門也有水合物的設法毫不瘋狂。若是認為一個晶體代表了整個過渡區的平均值，那這就有點瘋狂了。究竟結果鉆石只有在特心猿意馬前提下才能形當作，而這個樣本可能來自于含水多的地域。

艾伯塔年夜學地球化學家格雷厄姆·皮爾森帶領團隊從地幔中發現了含水礦物。圖片版權：Natasha Barrett

為了領會水合尖晶橄欖石的分布環境，施曼特和杰克布森等人一路用地動波繪制了一份地圖。因為對流感化，水合尖晶橄欖石會下沉，當它下降到過渡區以下區域時，上升壓力會將水擠出，導致礦物融化。在地幔物質下降的過渡帶下方，這些熔融礦物會讓地動波俄然減速。經由過程測量海說神聊美地域的地動波速度，研究人員發現，在過渡帶之下，如許的水池確實很常見。在歐洲阿爾卑斯山下測量地動波的研究也發現了近似例子。

本年3月，由拉斯維加斯內華達年夜學礦物學家奧利弗·茨亨納帶領的研究小組發現了含有現實水冰碎片的鉆石，這是研究人員初次從地幔中不雅測到自由存在的水分子。這些樣品可能更有利地申明了形當作鉆石的前提十分潮濕，而無法申明水遍及存在于儲層。這種水被稱為ice-VII高壓水，南非和中國的很多處所都有它呈現，是以它分布可能相對普遍。卡內基科學研究所地質學家史蒂文·施萊伊說：幾年后會發現ice-VII加倍遍及，它也將告訴我們它和尖晶橄欖石有著不異履歷。但若是真是如許，地幔里布滿了水，那水是若何達到地幔的呢？

3、水的發源

按照尺度說法，地球的水資本來自于外太空。地球四周的太陽形當作區域太熱以至于水等揮發性化合物無法固結；是以新生的地球起頭變得干燥，直到來自遙遠太陽系富含水分的天體撞擊地球并將水輸送到地表時，地球才起頭變得潮濕。撞擊地球的年夜部門天體可能不是彗星，而是被稱為碳質球粒隕石的小行星，它攜帶了自身20%重量的水，儲存在氫狀的尖晶橄欖石中，可是若是在過渡區有年夜量水資本，水發源說法將不得不改變。

西海說神聊年夜學礦物學家史蒂夫·杰克布森認為地幔可以比地球海洋容納更多的水，圖片：J.R. Smyth

若是過渡帶能將其重量1%儲存在水中(適度估量)，它將能容納兩倍的地球海水資本。固然下地幔更為干燥，但體積也更年夜，而且可能會成長當作容納宿世界上所有海洋的地域。固然地殼中也有水存在，但以今朝的速度，俯沖接收這么多地表水，所需時候生怕比地球的春秋還長。若是是如許，至少地球內部的一些水一向都在地幔。盡管早期的太陽系中的熱量很高，但水分子可能會粘在塵埃顆粒上，從而形當作地球。然而地幔中的總水量高度是一個不確定的數字，在低處的地幔含水量只有宿世界海洋的一半。

在高端，地幔可以容納兩到三倍多的海洋水，若是可以容納更多的水，年青地球的額外熱量會使地幔變得過于潮濕松軟，從而年夜陸板塊就不會斷裂，而今天的板塊機關可能永遠不會起頭。耶魯年夜學的地球物理學家Jun Korenaga說：若是地表有良多水，無疑是個好成果，若是地幔中有一堆水，那生怕就很糟糕了。別的下地幔也仍有謎題未解，在那邊極端的壓力使尖晶橄欖石釀成了底子不克不及容納水的硅鈣石。然而，比來的研究表白那邊存在新含水礦物——D期和h期，這些礦物事實是什么樣，能儲存幾多水量，仍是一浩劫題。

因為這是一個很是開放的問題，地幔的水含量仍有待會商。測量地球內部蓄水并不輕易，有但愿的方式是測量地幔的導電性，可是這項手藝還沒有像地動波那樣進步前輩。固然地動波供給了地球內部視野，但圖片并不老是很清楚。因為這些旌旗燈號很微妙，所以研究人員需要更切確的數據和更真實的地幔物質來領會地球內部儲水環境，而不僅僅憑借尖晶橄欖石和wadsleyite來下結論。過渡區60%都是尖晶橄欖石和wadsleyite，其余的是其他礦物質和化合物的復雜夾雜物。

尋找更多富含含水礦物質的鉆石對研究也會有所幫忙。在杰克布森的嘗試室里，這項工作落到了研究生米歇爾·溫茨的肩上。她在阿貢國度嘗試室利用壯大的X射線來繪制每一個礦物黑點的位置，此中幾顆可能有六個礦物黑點。為了識別礦物質，將X射線照射到每個位置點上，并測量射線是若何散落其晶體布局。嘗試室里的數百顆鉆石全數來自巴西，她查驗了年夜約60次，沒有發現水存在。不管有沒有水，這些來自深海的鉆石仍然令人贊嘆，它們每一個都是并世無雙的，就像雪花一樣斑斕別致。

博科園-科學科普｜文：Marcus Woo/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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