地球之水哪里来

李忠东

在太阳系八大行星中，地球是目前唯一被液态水覆盖了大部分地表的星球。在这颗蓝色星球上，陆地面积只占地球表面的29.2%，剩下的70.8%全是茫茫大海。其中，仅太平洋的面积就达到了18134.4万平方千米，约占地球总面积的1/3，和陆地面积总和不相上下。

地球水资源主要分布在海洋、南北极冰川和陆地水系中，总量约为13.6亿立方千米。但是，那么多的水究竟是从哪里来的呢？科学界始终莫衷一是。

水与火之歌

大约在50～55亿年前，太阳星云分化出来的固体碎片尘埃和气态物质在宇宙中聚集，构建成了最初的地球，而其内核则由固体尘埃聚拢结合而成。

在原始阶段，地球的结构十分松散，质量不大，引力很小，温度也非常低。它既没有大气，也没有海洋，是一个没有生命的世界。不过在随后的几亿年里，地球开始不断收缩，内核放射性物质随之产生能量，并使得地球温度越来越高。结果，有些物质慢慢变暖熔化，铁、镍等较重的物质大部分聚集在地球中心部位形成地核，最轻的物质则浮于地表。虽然逐渐降低的表面温度将地表变成了坚硬的地壳，但是内部的高温仍然让岩浆活动异常激烈。从地幔里喷涌而出的熔融岩浆，导致在一些地方隆起形成山峰，或是导致某些地方下陷形成低地与山谷。

随火山喷发而出的大量水蒸气和二氧化碳等气体，由于无法摆脱地球引力而围绕着地球，构成了“原始的地球大气”。最初形成原始地球的固体尘埃大多为无机盐之类的物质，内部蕴藏着许多水分子，即“结晶水合物”。其中的结晶水在地球内部高温作用下被离析出来，变成了水蒸气。如果条件适宜，喷到空中的水蒸气也会冷却成云，形成降雨。长时间的降雨使地壳低洼处的积水越来越多，形成了最初的海洋和湖泊。

此后，地球内部产生的水蒸气被源源不断地送入大气层，地面水量也随之不断增加，几十亿年后终于形成了现在的江河湖海。

这就是“火山说”——地球之水来自火山。这是一种相当具有代表性的观点，而且还有着充分的证据支持。

2012年，科学家对组成地球地幔的球粒陨石进行分析，结果发现其中竟然含有0.5%～5%的水，最多处可达10%。即便在当初组成原始地球的陨石中，仅有1/800是这些球粒陨石，那也足以形成今天的地球水圈。此外，科学家研究发现，火山喷发的确会将大量水蒸气释放到地球大气中，可占到喷发量的75%。以美国阿拉斯加一座名为“万烟谷”的火山为例，其每年喷出的水蒸气就有6600万吨。

来自宇宙的礼物

有关水的来源，目前最时髦的理论就是美国科学家提出的“彗星说”。该理论认为，地球上的水与冰块彗星有很大的关联，正是来自太空、携带有水和其他有机分子的彗星和小行星撞击了地球，才使地球产生了水。

科学家经过研究发现，由于大气中水蒸气分子在太阳紫外线的作用下，会分解成氢原子和氧原子，因此地球表面的水会持续向太空流失。而当氢原子上升到距地面80～100千米的高热层中时，它们的运动速度将超过第一宇宙速度，进而脱离地球进入太空。推算结果表明，飞离地球表面的水量大致等于进入地球表面的水量，那么地球的水量应该基本保持不变。然而令研究人员迷惑不解的是，两万年来，世界海洋的水位上升了大约100米。

1987年，美国爱荷华大学的研究团队在观察人造卫星发回的数千张地球大气紫外辐射图像中，注意到了地球上的一些“黑斑”。科学家猜测，这些“黑斑”是冰块彗星冲入地球大气层，破裂和融化成水蒸气后造成的。而每个冰块慧星的直径在20千米左右，面积约有2000平方千米，能够释放100吨水。“彗星说”认为，正是由于这些天外来客的不断补给，才使地球表面的水量持续增加，最终拥有了如今的水位。

图3也许火星之水只是处于“睡眠状态”罢了

最近，科学家第一次发现了可证明“彗星说”的依据——一颗被称为利内亚尔的冰块彗星。这颗彗星在离木星轨道不远的地方诞生，含水33亿吨，如若浇洒在地球上则可形成一个巨大的湖泊。虽然利内亚尔彗星在炽烈的阳光下蒸发成了蒸气，并没有来到地球，但相关研究表明，这颗彗星携带的水与地球上的水非常相似。因此科学家大胆推测，在太阳系形成之初，许多类似利内亚尔的彗星都携带着大量水来到了地球。

美国宇航局专家约翰·玛玛指出：“这些彗星并不是像小行星撞击那样造访地球，而是像雪球般落到了地球上，更像是软撞击，只有大气层的上层受到破坏，而撞击时释放出来的有机分子并没有受到损害，因此保证了水资源的完好无损。”

“躲”在地幔中

2014年，加拿大研究人员发表报告称，他们首次发现了来自上下地幔过渡带的一块尖晶橄榄石，其含水量为1.5%。这是一种罕见的亲水性矿物，埋藏在地下400～600千米的地幔深处。研究人员在实验室中合成了一些人造尖晶橄榄石，并模拟了地下660千米深处的高温高压环境，结果这些“尖晶橄榄石”发生了部分熔融，就像出汗一样释放出水分子。

科学家推测，即便这个“过渡层水库”的含水量只有地幔岩石重量的1%，它也将成为迄今人们发现最大的地下水源，含水量甚至可能是全世界海洋水量的3倍。据此，科学家提出了一个全新的理论——地球上的水很有可能本身就存在于地球内部，这些储存在尖晶橄榄石里的水构成了一片巨大的地下“海洋”（图1）。

图2地幔中的远古水非常粘稠

美国俄亥俄州立大学的地球科学副教授温迪·帕内罗指出：“在太阳系中，地球是唯一一颗拥有活跃板块运动的行星，也许地幔中的这些水正是造成板块运动的主要原因。而由于地壳活动剧烈且频繁，这些水又从地表冒出，形成了今天的海洋，造就了一个适宜人类居住的星球。”这是不是和《地心游记》中的情节很像呢？150年前，法国“科幻小说之父”儒勒·凡尔纳就在书中描绘了一个深藏在地球表面之下的巨大海洋，而它并不以液态水的形式存在。凡尔纳甚至对地下海洋还有一个幻想：在一条地下岩石的海岸线上，点缀着长有巨大蘑菇和石化树的森林。

研究人员表示，虽然从外表上看，这些尖晶橄榄石非常干燥，但在它的自然空隙和晶体缺陷中，“锁”住了一些氢原子，而矿物中富含氧，两者结合便能形成水。杂散的氢原子可能只构成了地幔岩的很小一部分，但鉴于地幔占地球体积的80%以上，也就意味着这些杂散的原子能够形成大量的水。

虽然这次发现的地下水源量相当可观，可以将地球上所有的海洋再重新灌满三次，但它们深埋地下，而且存在形式与普通的水不一样，并非以液体、冰块或者水蒸气的形式存在，而是一种蓝色的矿物，因此很难提取。

另外，就在不久前，美国俄亥俄州立大学的科学家研究发现，地球通过板块运动，至今仍在将少量的水释放到地球表面，为海洋提供补给。

至此，“地幔说”、“火山说”和“彗星说”成为了地球之水来源的三大主流理论。不过，地幔中的远古水资源含盐量较高，与岩石发生反应时会产生大量的氢，和深海热液喷口周围的环境类似，而且它们的粘性较高，就像枫蜜浆一样（图2）。

虽然我们目前还未完全确认地球之水的确切来源，但科学家已经将部分研究方向转移到了火星。火星表面岩石与地球一样，形成于数十亿年前，产生氢气的方式也与地球十分相似。如果地幔之水真的大量存在，那也就意味着火星上很可能也有水资源，只不过它们还处于“睡眠状态”罢了（图3）。

也许只有解决了太阳系和地球的起源等诸多问题，我们才能找到地球之水的真正来源。