在我們的印象中,水只能滲透到地球表層的土壤中,無法再深入到地球內部的巖石之中,僅在地球表面參與物質循環,周而復始,地球的總水量基本保護穩定的狀態。而實際上,地球上的水是可以深入到地球內部的,只不過隨著深度的增加,周圍環境的變化使得水無法再繼續深入到更深的內部而已。
地球上的水循環
我們在上學的時候,肯定都學會水在地球表面的循環,包括大循環和小循環兩種方式。其中小循環又包括海上循環和陸地循環兩種方式,意思就是僅在海洋或者陸地上進行著水相態的周期變化,從海洋或者陸地上因吸收太陽輻射生成的水蒸氣,又會隨著溫度的下降發生冷凝降回到原來的海面或者陸地上。
而大循環則相對複雜得多,它涉及到地球的各個方面,即包括陸地,也包括海洋;既包括土壤,也包括生物;即包括地表水,也包括地下水。這些存貯在不同區域、不同部位的水資源,在太陽輻射能量的驅動下,循環往復地發生蒸發、凝結、降水、滲透、流動等現象,從而實現海陸間的大範圍轉移。
除了在地球表面發生的水循環之外,其實還包括地表和地下的水循環,這個地表,既有海底,也有陸地表面。由於水的滲透性極佳,它可以在重力作用下,沿著地表土壤或者巖石中的縫隙,不斷向下運動。而在運動過程中,這些水的「命運」是不相同的:
有的被土壤、泥沙和巖石所吸附;有的被植物根系所吸收;有的進入地下水系;有的會直達地球內部很深的地方,成為某些巖石水合物的重要來源;有的則會在高溫作用下形成水蒸氣,重新返回到運移空間;有的會以水蒸氣形式與巖漿混合。…………
以上水進入地球內部之後的不同走向,其實都是地球水循環的方式,只是參與循環的載體和方式不同而已。有的通過孔隙以液態或者水汽形式直接返回地表,有的則會被固定在巖層中,造成參與水循環的周期具有很大的差異性。
水能夠滲透到地球內部多深?
在地球上,水之所以能夠流動,一方面取決於其流體的性質,另一方面取決於重力勢能的影響,因此,理論上只要有足夠的空間和縫隙,水都是可以進入其中的。但是地球內部隨著深度的增加,其自然狀態將變得十分複雜,將會直接影響水的滲透性。
大家都知道地球是一個隨著深度不同,其組成物質和物理狀態出現明顯差異的分層結構。這個結構的形成,來源於地球形成之初的演化進程。在太陽行成之後,相應的各個行星也各就各位,地球此時還是一個整體溫度非常高的火球,之所以有這麼高的溫度,一方面來源於在吸收周圍星際物質時相互碰撞下所積累的能量,另一方面來源於地球引力作用,使地表物質不斷向內坍縮,引發組成物質之間的相互碰撞和摩擦。
在起碼有上千度的高溫下,地球表面一開始還分布著大量呈現熔融態的巖漿物質,隨著時間的推移,在熱輻射的作用下不斷散失熱量,地球逐漸發生了冷卻。而在流體狀態之下,物質的沉積在重力作用下顯得就比較容易,密度大的物質要比密度小的物質沉積速度快,因此地球從外向內呈現出組成物質密度不斷加大的趨勢,逐漸演化成了現在的地殼、地幔和地核三個主要部分,越往上物質密度就普遍越高,溫度和壓力也越大。
其中,地殼為地球的最上層,平均厚度為35公裡,海洋中的地殼厚度較小,平均僅為6公裡左右,主要由矽-鋁氧化物或矽-鎂氧化物所構成,整體上每下降100米溫度就會上升1攝氏度。
地殼的下方是地幔,這一層由非常緻密的造巖物質所構成,也是地球三大圈層中體積最大的一層結構,達到2800公裡左右。在上地幔的頂層存在著一個軟流層,地球各大板塊就是「漂浮」在這個軟流層之上,隨著時間的推移緩慢地進行著板塊運動,這裡也是巖漿的發源地。在下地幔中,溫度將達到1500-3000攝氏度,壓力達到50-150萬個標準大氣壓,在這種環境下,組成物質呈現出的是一種可塑性的固態形式,平均密度將達到4.7克每立方釐米。
在地幔的下方是地核,平均厚度3400公裡,外地殼的組成物質仍然為黏稠的液態,而內地核中溫度高達5000攝氏度以上,壓力超過1.3億個標準大氣壓,物質密度達到驚人的13克每立方釐米,內地核中的物質在這種環境下,將以固態的形式存在,主要成分為由鐵、鎳等金屬元素所構成。
由於水或者水蒸氣的流動,需要空間傳輸途徑,當物質的密度過大、且以液態呈現時,則水很難從中穿過。通過剛才的分析,在地球圈層中,存在這個臨界點的將是軟流層,其距離地表的上界深度為100公裡左右,下界深度為400公裡左右,在軟流層中,溫度普遍在1200攝氏度以上,達到了地幔組成物質的熔融相溫度,在水和揮發性物質的共同參與下,組成物質呈現固態、液態混合的固流體形態。因此,理論上,從地表滲入的水,最多只能滲透到400公裡以下的軟流層。
地表水的補充機制
根據有關科研監測數據,在海底有許多能夠大量滲入地球內部的裂隙存在,其中以板塊分離或者上下擠壓形成的海溝最為明顯。而且科學家們還估算出了每年因海溝滲透進入地球內部的水量,高達近十億噸。與此同時,在地球水循環的過程中,會有一部分的水氣分子散逸到大氣層的外層空間,在高能輻射電離、太陽風吹拂作用下,會有一定的比例最終逃逸到宇宙空間中,雖然比例相對較小,但也或多或少存在著這種客觀的損失數量。那麼在「一內一外」的消耗下,地球的水量為何不見減少呢?重點是地球上的水資源從整體上看,具有非常有效的補充機制。
滲入水的返回機制。在地球內部高溫作用下,一部分液態水變為水蒸氣通過原有渠道直接返回地表。
地質運動的返回機制。地表水滲透進軟流層之後,會與巖漿共同形成呈固流體形態的物質,隨著地球自轉的作用,地球內部巖層之間的應用以及能量會逐漸積累,當到達一定程度之後就會以火山、地震等形式,在地殼最薄弱的地方向外釋放。而在釋放的過程中,水就會以水蒸氣的形式從地球內部帶回地球表面,重新參與地球的水循環。
結晶水基本不參與水循環。雖然地球內部擁有大量的可以形成結晶水的巖石,比如林伍德石,但是這些水基本上地球形成之初、原始海洋形成之後就開始富集產生的,相態比較穩定,同時地表滲透水也很難通過軟流層到達結晶水巖石這一區域,因此,這部分的巖石固然含水量豐富,但也不會對地球表面水量產生任何影響。
地外空間的水源補充。雖然有一部分水氣可以逃離到地球大氣層之外,但是地球上經常會發生著小行星和彗星等地外天體的墜落事件,這些小天體特別是彗星上富含了大量的水源,在一定程度上彌補了水氣逃逸的損失。
總結一下
地球上的水,其實是無時無刻不在向地球內部滲透的,只不過由於地層結構、溫度和壓力的限制,其最多只能滲透到軟流層之中。而地球表面水量總體保持穩定的原因,就在於滲透的水、逃逸到外太空的水總量,與從地底返回、地外小天體補充的總水量保持著相對平衡的狀態。