地球是……漂浮在宇宙中的大「椰子」?

來源：科學大院（ID：kexuedayuan）

作者：楊凡

下面這段話估計大家都不陌生：

「如果把地球內部結構做個形象的比喻，它就像一個雞蛋，地核（包括內核和外核）就相當於蛋黃，地幔就相當於蛋白，地殼就相當於蛋殼。」

地球的內部結構 | 中國科學院測量與地球物理研究所

但是！如果說地球也像椰子一樣，裡面有很多「水」，你能理解麼？

地球也像椰子一樣，裡面有很多「水」 | veer圖庫

近日，發表於《自然·地球科學（nature geoscience）》的一項研究表明，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。（是不是更像個椰子！）

地球上的水從哪裡來？

從「水石相激，山谷轟鳴」，到打開水龍頭，源源不斷的水譁啦啦地從手上流過，你是否想過，打從「盤古開天地」，地球上就有五大洋了嗎？還是後期演化過程中「生成」的？

小知識：

外源說，地球上的水來自地球之外的物質，如彗星、富含水的小行星、太陽風等。

內源說，地球上的水起始於地球形成初期，在形成地球的原始太陽星雲氣體和塵埃等物質中就含有水，進而分布在地球各個圈層。

「藍星」上的水從哪裡來？「外源說」？「內源說」？還是兩者的共同作用？這一系列問題的答案制約著人類對於地球形成演化過程的認知，也限制著人類去探索定地球上生命系統的形成與演化。

圖 | veer圖庫

科學家在這篇論文[5]裡認為，地球可能在其演化早期（45億多年前）從富含氫（H）的太陽星雲中獲得了大量的水（H-O物質成分），隨著後續的演化，部分氫-水（H-H2O）物質可能和其他物質一起聚合於地核中，這也為地球的水起源於自身增添了一個強有力的證據。

震驚！地核中也有水？！

地球深部的水並不是我們看到的地球表面液態、氣態或固態的水，而是以水分子的形式存在的結構水，包括OH—、H+等與H有關的缺陷水，其載體可以是礦物、熔體和流體等（地球科學界之所以將各種含H相都泛稱為「水」，是由於H一旦活動，在條件合適的時候，就易於和地球上廣泛存在的O結合成 H2O）。例如，科學家通過對天然樣品的分析和高溫高壓實驗的觀測，表明地球深部的礦物含有主要以 OH 缺陷形式存在的結構水，也就是氫會跟礦物中的氧結合。

研究人員試圖通過分析氫（H）在高壓和高溫下的行為，模擬在地幔和地核邊界的氫（H）和周圍的物質會發生什麼變化。

礦物的結構缺陷中水的形式 | Libowitzky,1998

通過研究，科學家發現，水在地核的形成條件下，具有很強的偏鐵性。鐵是地核的主要成分之一，偏鐵性也就是更容易和含鐵物質結合在一起，例如，實驗表明，氫元素在地核中也可以以鐵的氫化物(FeHx)形式穩定存在。在當前的核幔邊界條件下，氫氣（H2）和水（H2O）更喜歡呆在地核中，而不是矽酸鹽（SixOy）熔體（地幔主要成分）。這意味著，任何保存在基性巖漿中的水都更傾向於分配到地核中。

作者供圖

而且，任何通過俯衝作用（兩個板片碰撞時，密度更大的會下沉到地幔中，促進地表和地下的物質交換）添加到地幔最深處的水，現在也有分裂進入地核的趨勢，要麼直接進入地核，要麼與液態鐵反應形成氧化鐵，釋放出氫氣進入地核。

作者供圖

由此，科學家得出：地核可能是一個巨大的水庫，可能包含了地球的大部分水。這一發現也可以解釋我們所測量的地球外核地震波速度大幅度降低、S波速度突然降為零（S波是一種橫波，不能在液體中傳播，故此推測地球有一個液態外核）。

作者供圖

地幔藏著個「隱形海洋」

此外，之前科學家在地幔也發現了大量結構水的存在。科學家研究發現在地幔轉換帶（地球內部410~660公裡深處）可能存在著一個3倍於地表海洋總水量的「隱形海洋」。在地幔各層圈中，過渡帶和下地幔上部含水量最高，大約佔地幔總水量的74%以上，與海洋水比較，地幔總水量為海洋的14倍以上。不同的學者對地幔含水量估算的數值上有所不同，但是毫無疑問，地幔中蘊藏了豐富的水。

地幔各層圈主要含水量和總水量 | 謝鴻森，2005

未解之謎：地球之水何處來？

為了確定水的來源，我們常用氫的不同同位素比值(D/H值)來研究是否為同一來源，不同源區的氫同位素組成差別較大。地球上富含豐富的水是毋庸置疑的，但是這些水的主要來源，還不太確定。

不同源區水的 D/H 值 | 10000個科學難題·地球科學卷

目前，在地球上水來源的解釋還無法協調全部的數據。一方面是由於現有數據與模型的不協調，如多種同位素體系之間的不匹配，各種模型中選擇參數的不確定，化學模型與物理模型的不吻合；另一方面則是由於我們的觀測手段還不能全面地追蹤外太空更多潛在的水源；再者，我們對太空中礦物相的變化及其同位素分餾機制也還沒有準確的認識。因此，想要解決這個難題，還需要科研工作者不懈的努力。

作者：楊凡

作者單位：中國科學院地質與地球物理研究所

參考文獻：

[1] Li, Y., Vo adlo, 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] 謝鴻森,侯渭,周文戈.2005.地幔中水的存在形式和含水量.地學前緣,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個科學難題·地球科學卷《地球上水的來源》

[5] https://www.nature.com/articles/s41561-020-0578-1

科學大院是中科院官方科普微平臺，由中科院科學傳播局主辦、中國科普博覽團隊運營，致力於最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學發聲。

了解更多「病毒與人類健康-專題科普」信息，請持續關注「未來論壇」公眾號，

1、進入公眾號底部菜單欄，點擊右下角「理解未來」—「近期直播」即可觀看。