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地球的水从哪里来?答案可能在新发现的两种化合物中

2022-01-27 11:33:41      点击:224    评论:0      来源:中国科技网

“地球的水从何而来”是一个由来已久的谜题,解开这个谜对于理解生命如何出现以及地球内部动力学如何随时间演化至关重要。

日前,南开大学物理科学学院博士李含飞、副教授董校及其合作者发现两种新的水合硅酸镁(Mg2SiO5H2)结构,可以作为地球早期水的储存介质存在。在核幔分离之后,其释放出大量的水。这为早期地球上海洋的起源提供了新思路。相关论文1月21日发表在物理学期刊《物理评论快报》上。

关于水的起源有两种观点

目前,关于水的起源有两个观点:一是“地狱起源说”,认为水来自地球深处,即地球在吸积期获得了大量的水,并储藏于地球内部;二是“天堂起源说”,认为在地球形成后,富水陨石轰炸提供了大量的水。

最近,越来越多的证据支持第一种假设。氘与氢的比例被认为是水起源的指纹,一个发现指出,地球深部地幔的氘氢比很低,接近早期地球的基本组件顽辉石球粒陨石和原始太阳星云,远低于彗星等太阳系外围物质。这给地球内部的水可能直接来自原太阳星云的观点提供了有力证据。

董校解释:“氘氢比被认为是水起源的标识,随着太阳的‘点燃’和而后的太阳风作用,太阳系外围氘氢比和原始太阳星云是不同的。地球的氘氢比与原始太阳星云一样,而与外围氘氢比不同,这成为地球水不是‘天外来客’的有力证据。”

然而,这一假说存在相当大的问题。与其他行星材料如铁、硅酸盐相比,水的熔点和沸点要低得多,因此在新生地球数千度的炙热表面,水会被蒸发到太空中。由此可见,水只能存在于新生地球的内部深处,并在新生地球演化到一定程度时被释放出来。然而这一过程中的物质存储形式尚不明确。

发现稳定存在的含水新矿物

董校长期从事极端条件下新奇物质的设计及物性预测的研究。通过第一性原理计算和结构预测方法,其发现在数百万大气压的条件下出现两种未被发现的新的稳定水合硅酸镁结构,并将它们命名为α相和β相。其中,α相稳定的压力区间为262—338吉帕,β相的稳定区间在338吉帕以上。而如今核幔分界处的压力为136吉帕,地球中心的压力为364吉帕。α相和β相结构的主要区别为镁离子周围具有不同的氧原子数。

第一性原理计算表明,在压力为300吉帕时,水合硅酸镁具有非常高的密度和极高的含水量。含有重量百分含量在11.4%的水,高于大多数其他报道的氢氧矿物的含水量。

“理论计算表明,这种水合硅酸镁耐热性远好于其他含水矿物,即使在8000开尔文高温下,也没有分解或融化的迹象。”董校说。

在早期地球内部,因为核幔尚未分离,硅酸盐和过量的氧化镁可能深入地球内部深处,从而承受远比现今高的压力,比如在压强高于262吉帕的情况下,其就可以以水合硅酸镁的形式储存水分。

计算表明,理想状态下早期地球内部以水合硅酸镁的形式最多可以储存8倍于现今海洋质量的水。

随着核幔分离的进行,铁质核区逐渐长大,从而将硅酸盐抬高并降低其所受压力,迫使水合硅酸镁分解释放水分。而释放出的水分通过复杂的地球物理和化学过程到达地表。此时,地表已经足够冷却,能够保证液态水的存在,形成原始海洋。

而水合硅酸镁的分解产物,硅酸镁和氧化镁被留在下地幔,至今仍发挥着重要作用。

“水合硅酸镁的发现对于人类认识其他类地行星,尤其是超级地球中的物质循环也具有重要意义。”董校表示,这项研究填补了含水硅酸盐体系在数百吉帕压力下物质存在形式的空白,开拓了早期地球水和轻元素循环的新视角,加深了人们对核幔分离过程中物质存在和循环过程的理解。

董校的文章吸引了很多科研工作者的兴趣。法国天文学家特里斯坦-吉尔洛特(Tristan Guillot)评价其为具有潜在应用价值的创新,瑞士的行星科学家拉维特·哈立德(Ravit Helled)则评论说“水的起源是关乎我们行星形成的重要开放性问题之一,我们至今仍并不确定现在地球深处到底有多少水;如果像董校及其合作者预言的那样地球的核区在早期地球中能够充当水的载体,那么在其他类地行星中,也会有相似的水储存过程,并影响他们的演化”。