地球上水的來源

2020-09-05 地球歷史溯源者

水是人類賴以生存的基礎，控制著整個生物圈的性質和演化。如果沒有水，地球的許多動力學過程(如板塊運動、火山噴發等)也許都不能發生。

不僅地球表面存在大量液態水，地球的深部也有以其他含H相形式(如OH、NH4+等)存在的「水」(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)。

深部地球(下地殼、上地幔、過渡帶、下地幔)的主要構成相雖然都是理想化學式中不含H的「名義上無水礦物」，如橄欖石、輝石、石榴石及它們的高壓變體，但是無論是天然樣品的分析還是高溫高壓實驗的觀測，都已經表明這些礦物含有主要以OH缺陷形式存在的結構水。

實驗甚至表明，氫元素在地核中也可以以鐵的氫化物(FeHx形式穩定存在。雖然我們目前對於深部地球中水的含量的估計還有很大的不確定性，但是其存在已經是個不爭的事實。

問題是：地球上的水是什麼時間，從什麼地方來的？是地球形成時本就具有的，還是後期演化過程中由地外添加的？如果是多來源的，各個來源佔有多大比例？

這一系列問題的答案不僅制約著人類對於地球形成演化過程的認知，對明確地球上生命系統的形成與演化也起著重要的限制作用。

不同的地外源區的氫有不同的同位素組成(D/H值)，所以氫同位素組成是判斷地球上水來源的重要依據。太陽系在45億年前從原始太陽星雲中形成，地球主體部分也是由原始太陽星雲的塵埃、星子碰撞聚合而成。

地球上的水是否是在地球形成初期就已經存在於地球上，然後通過一系列物理化學過程演化成現今地球不同層圈中水的存在形式、分布和同位素組成？也就是說，地球自形成後既沒有H的逸失，也沒有地外來源H的加入。

如果是這種情況的話，現今整體地球的D/H值應該與初始的原始太陽星雲一致(太陽發生核聚變，D/H值發生變化，而地球等行星均不發生)。整體地球的平均D/H值估計為149x10-6,平均大洋的D/H值為155x10-6(圖1)。而不同模型估算出的原始太陽星雲的初始D/H值為(20~80)x10-6(圖1)，與當前地球D/H值相差甚遠。所以簡單地認為地球上的水與地球形成於相同階段並保持封閉系統演化是不合理的，那麼還有哪些地外物質可能成為地球上水的來源呢？

實際上，地球形成後並不是完全孤立的，而是與外太空不斷地進行物質交換。因此，進入地球的彗星、隕石、星際塵埃(IDP)都是地球上水的潛在來源。

1985年Kerridge指出彗星的平均D/H值為（310±40)x10-6(圖1)，彗星與原始太陽星雲的混合可以解釋當今地球上D/H值的異常。Jessberger等和Bockelee-Morvan等分別在1988年和1998年指出，碳質球粒隕石含水量可以高達10°%，其平均D/H值處於130x10-6〜180x10-6(圖1)，這與地球的D/H值處在相同範圍內，因此很自然地被解釋為地球上水的可能來源。

可是上述解釋都遇到這樣的困難：由彗星來源水與地球本身水混合，並且符合現在地球上的D/H值，需要彗星來源的水達到現有地球水含量的50%，而目前估計的地球上彗星來源的水含量最高值也不超過10%；如果隕石為地球上水的主要來源，對比全球水含量(約3.3%)，則會得到隕石佔地球總質量近33°%的不合理結果。

顯然，無論是單一成因論(即地球上的水與地球形成於相同階段並保持封閉系統演化)，還是多成因論(即地球上的水包含了地外來源的水的加人)，在地球上水來源的解釋上都無法協調目前全部的數據。

目前在地球上水來源的探索上遇到的困難，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示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，為了解決地球上水的來源這個難題，勢必需要更完整而準確的地球形成模型，這是對地球最初始的物質組成的重要制約，也是限定地球上水的來源與演化的關鍵。與此同時，需要獲得更多更可靠的觀測數據，增加對地外水源的探測，收集全面多樣和數量豐富的源區物質，利用更加準確的手段進行元素和同位素的分析。

我們相信，隨著理論模型的逐漸完善和觀測手段的不斷進步，這一難題將會取得新的突破，並對人類認知地球和生命的演化產生深遠影響。

(此文為轉載，僅為信息傳播用途)

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