地球的水從哪裡來？答案可能在新發現的兩種化合物中

「地球的水從何而來」是一個由來已久的謎題，解開這個謎對於理解生命如何出現以及地球內部動力學如何隨時間演化至關重要。

日前，南開大學物理科學學院博士李含飛、副教授董校及其合作者發現兩種新的水合矽酸鎂（Mg2SiO5H2）結構，可以作為地球早期水的儲存介質存在。在核幔分離之後，其釋放出大量的水。這為早期地球上海洋的起源提供了新思路。相關論文1月21日發表在物理學期刊《物理評論快報》上。

目前，關於水的起源有兩個觀點：一是「地獄起源說」，認為水來自地球深處，即地球在吸積期獲得了大量的水，並儲藏於地球內部；二是「天堂起源說」，認為在地球形成後，富水隕石轟炸提供了大量的水。

最近，越來越多的證據支持第一種假設。氘與氫的比例被認為是水起源的指紋，一個發現指出，地球深部地幔的氘氫比很低，接近早期地球的基本組件頑輝石球粒隕石和原始太陽星雲，遠低於彗星等太陽系外圍物質。這給地球內部的水可能直接來自原太陽星雲的觀點提供了有力證據。

董校解釋：「氘氫比被認為是水起源的標識，隨著太陽的『點燃』和而後的太陽風作用，太陽系外圍氘氫比和原始太陽星雲是不同的。地球的氘氫比與原始太陽星雲一樣，而與外圍氘氫比不同，這成為地球水不是『天外來客』的有力證據。」

然而，這一假說存在相當大的問題。與其他行星材料如鐵、矽酸鹽相比，水的熔點和沸點要低得多，因此在新生地球數千度的炙熱表面，水會被蒸發到太空中。由此可見，水只能存在於新生地球的內部深處，並在新生地球演化到一定程度時被釋放出來。然而這一過程中的物質存儲形式尚不明確。

董校長期從事極端條件下新奇物質的設計及物性預測的研究。通過第一性原理計算和結構預測方法，其發現在數百萬大氣壓的條件下出現兩種未被發現的新的穩定水合矽酸鎂結構，並將它們命名為α相和β相。其中，α相穩定的壓力區間為262—338吉帕，β相的穩定區間在338吉帕以上。而如今核幔分界處的壓力為136吉帕，地球中心的壓力為364吉帕。α相和β相結構的主要區別為鎂離子周圍具有不同的氧原子數。

第一性原理計算表明，在壓力為300吉帕時，水合矽酸鎂具有非常高的密度和極高的含水量。含有重量百分含量在11.4%的水，高於大多數其他報導的氫氧礦物的含水量。

「理論計算表明，這種水合矽酸鎂耐熱性遠好於其他含水礦物，即使在8000開爾文高溫下，也沒有分解或融化的跡象。」董校說。

在早期地球內部，因為核幔尚未分離，矽酸鹽和過量的氧化鎂可能深入地球內部深處，從而承受遠比現今高的壓力，比如在壓強高於262吉帕的情況下，其就可以以水合矽酸鎂的形式儲存水分。

計算表明，理想狀態下早期地球內部以水合矽酸鎂的形式最多可以儲存8倍於現今海洋質量的水。

隨著核幔分離的進行，鐵質核區逐漸長大，從而將矽酸鹽抬高並降低其所受壓力，迫使水合矽酸鎂分解釋放水分。而釋放出的水分通過複雜的地球物理和化學過程到達地表。此時，地表已經足夠冷卻，能夠保證液態水的存在，形成原始海洋。

而水合矽酸鎂的分解產物，矽酸鎂和氧化鎂被留在下地幔，至今仍發揮著重要作用。

「水合矽酸鎂的發現對於人類認識其他類地行星，尤其是超級地球中的物質循環也具有重要意義。」董校表示，這項研究填補了含水矽酸鹽體系在數百吉帕壓力下物質存在形式的空白，開拓了早期地球水和輕元素循環的新視角，加深了人們對核幔分離過程中物質存在和循環過程的理解。

董校的文章吸引了很多科研工作者的興趣。法國天文學家特里斯坦-吉爾洛特（Tristan Guillot）評價其為具有潛在應用價值的創新，瑞士的行星科學家拉維特·哈立德（Ravit Helled）則評論說「水的起源是關乎我們行星形成的重要開放性問題之一，我們至今仍並不確定現在地球深處到底有多少水；如果像董校及其合作者預言的那樣地球的核區在早期地球中能夠充當水的載體，那麼在其他類地行星中，也會有相似的水儲存過程，並影響他們的演化」。