水所经历的奇妙旅程一滴水的奇妙旅程

【水所经历的奇妙旅程一滴水的奇妙旅程】

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研究表明，地幔之中储存着大量的矿物和水。
简介：研究表明地球表面可能曾经被水完全淹没，科学家认为地球的整个地幔可以容纳了地球表面海洋所含水量的2.3倍。
一个巧妙的新研究结合了物理模型和实验，越来越多的证据表明，地球在数十亿年前是一个水之世界，那个时候的地球被大量的水覆盖，水量是现在地表水的两倍之多，甚至淹没过了最高峰。
这不是证据，但事情真的开始证明情况就是这样。
谜底就在地幔上。地幔是一层温度极高的非融化的岩石层，它在相对较薄的地壳之下，向下延伸将近3000千米，占地球质量的三分之二。地幔极高的压力和温度造就了一些地表所没有的矿物，像瓦兹力石(wadsleyite)、林伍德石(ringwoodite)、和布理奇曼石(bridgmanite)这些橄榄石(olivine) 。
图源：T. Kawazoe
这些矿物有储水结构，最多可以储存他们自身重量的百分之三的水。这听起来似乎也不是很多，但是别忘了，地幔占据地球绝大部分的质量。那里有非常多的这些矿物，并且它们储存着大量的水。
地球的主要层是由薄岩壳（8-40千米），温度极高但是是固体岩石的地幔（2900千米），液态金属的外核（2250千米），和固态金属的内核组成（1300千米）。图源：Getty Images / anuwat meereewee.
关键的问题就是，它们现在储存了多少水，在过去又可以储存多少？已经有实验模拟出了地幔的情况，科学家们用金刚石压砧把矿物质粉碎，然后加热至高温之后测量有多少水，得出这些矿物的储水能力。
金刚石压砧工作原理，图源：Teach The Earth
新研究主要是看那些矿物在不同的压力和温度之下的储水能力，用矿物的行为模式来拟合数据。他们的发现颇为可观：地球的整体地幔的容纳量，是如今地表海洋质量的2.3倍，更准确来说是在1.9倍到4.4倍之间，平均是2.3倍。换言之，如果你想把气球上所有的水拿出来--大约是1.4x10^18吨重，14后面加17个零的吨位--地幔中的矿物可以储存超过其两倍的水量。
它现在可以并且就储存着那么多的水。在过去，地幔的温度比现在更高，这就是新研究的有趣之处了。30-40亿年之前地幔的温度比现如今高出大约300摄氏度（如今的温度大约是1300摄氏度）。回到实验并且通过它们的模型，科学家们发现如果这些矿物的温度更高，它们的储水量反而更少。更高温矿物的储水量，仅仅是现在地表海洋质量的0.52-1.69倍之间，平均是0.8倍。
这明显更少了。如果现在地幔的最大容水量是正确的，这就意味着过去地幔中所容纳的水比现在的少。也就是说，现在地幔之中如此之多的水一定是来自某个地方。
裂谷（右）是构造板块分裂的地方。隐没带（左）是一个板块潜入另一个板块下方的地幔之中的地区。图源： Getty Images / Christoph Burgstedt / Science Photo Library 。
根据科学家们的设想，在远古时期，地表曾经有更多的水，可能是现在地表水的两倍之多。这些水渗透进入地壳的裂缝之中，这可能使地壳弱化，板块构造第一次开始了。当一个板块带着地表水一起滑到另一个板块下方时，这些水被储存在了地幔之中。随着时间的流逝，地幔逐冷却，它可以容纳越来越多的水，因为随着地幔逐渐降温，瓦兹力石和林伍德石也更容易形成，所以它们帮助地幔容纳更多的水。久而久之，地幔吸收了地表大约一半的水，才有了今天我们所看到的世界。
直到我读了这个论文之后我才了解到，地表水通过隐没作用深入地幔，然后火山又把地幔里的水释放出来。这一循环交换的过程所造成的净效果就是，地表水流失到地幔中，估计每年就有十亿吨之多！这着实震惊我一把。

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