寻找地球地下海洋

这篇文章最初发表在《Discover》杂志的七月/八月刊上，标题为“海洋之下的海洋”。通过成为我们的订阅者来支持我们的科学新闻报道。

史蒂文·雅各布森从未打算成为一名地球物理学家。事实上，在他 20 世纪 90 年代初在科罗拉多大学开始大学生涯时，他一心想主修音乐或商业，这可能是他最不可能做的事情。但在他随意选择了一门地质学课程来满足学校的科学要求后，他受到了启发，走上了一条不同的道路。

“在小时候，我整天在外面玩，捡石头，”雅各布森说，“我意识到这就是我想做的事。”

如今，他研究的不仅是岩石，还有隐藏在岩石中的水。他和他的研究人员发现的地下水越多，尽管它可能不像我们熟悉的那种液体。在地下深处的极端温度和压力下，水会分解成其组成元素——氢和氧，它们在化学上与岩石的晶体结构结合。但对地球物理学家来说，无论它以何种形式存在，它仍然是水。

这就引出了一个问题：地表下埋藏着多少这样的水？答案或许能帮助解释我们星球的宜居性，并告诉我们这些水最初是如何来到这里的。

岩石之下

雅各布森职业生涯早期，他的研究导师是地质学家约瑟夫·斯迈斯 (Joseph Smyth)，他曾证明一种叫做水滑石 (wadsleyite) 的矿物理论上可以容纳大量的水。水滑石及其相关矿物橄榄石（ringwoodite）是地幔过渡带——约在地表以下 250 至 410 英里处——的两个主要组成部分。当他在 20 世纪 90 年代中期开始自己的研究时，雅各布森想知道：这些丰富的矿物中可能实际储存了多少水？

由于水滑石和橄榄石通常在地表不存在，雅各布森花了近 15 年的时间在实验室中合成它们，模拟数百英里深处的高温高压条件。他研究了这些实验室生长的矿物，以确定地震波穿过含有不同水量样本的速度——这些信息他后来将用于评估地下水的含量。

他证实，这些矿物确实可以包含相当数量的水元素，它们“像烘焙到蛋糕里的水或牛奶一样”被整合到岩石的结构中。但由于他的估计远高于大多数专家的合理推测，他直到更有信心之前，一直犹豫是否发表他的研究结果。

2014 年，阿尔伯塔大学的格雷厄姆·皮尔森 (Graham Pearson) 报告了他对一颗从巴西打捞出的微小钻石的调查，一切都改变了。这颗钻石形成于地幔过渡带，内部包裹着一小块更小的橄榄石。而在这块橄榄石中？它的重量大约有 1% 是水。

这听起来可能不多，但考虑到这种矿物在过渡带的普遍存在，雅各布森知道：这可能加起来就是大量的 H2O。

与此同时，雅各布森的实验显示，橄榄石中的水会降低过渡带底部岩石的熔点。这意味着那里的含水岩石更有可能含有液态斑块——不是因为它湿润，而是因为它的一部分已熔化。大约在同一时间，时任西北大学现职的雅各布森与新墨西哥大学的地球物理学家布兰登·施曼特 (Brandon Schmandt) 合作。施曼特当时正在使用包括 400 个便携式地震仪网络的USArray 对地幔进行探测。“如果地幔中有那么多水，”雅各布森告诉施曼特，“那就一定有熔体”——也就是少量岩浆混杂在固体岩石之中。

研究人员汇总了他们的数据，在过渡带及其正下方识别出了大片熔融物质——这些发现在皮尔森发现钻石的三个月后发表。当时，雅各布森总结道，越来越清楚的是，“过渡带里到处都是水。”

有多少水？他说，如果橄榄石样本具有代表性，那意味着水量是地球表面所有海洋的两倍。其中一个“海洋质量”就相当于大约15 亿亿吨（或超过 3500 亿亿加仑）。

而且，事情远未结束：此后在过渡带的上方和下方都发现了其他水的迹象。2016 年，雅各布森与皮尔森再次合作，从巴西深处又获得了一颗钻石。这颗钻石形成于地下 600 多英里深处，在大约 9000 万年前的火山爆发中被喷射到地表。

这颗钻石内部包裹的不是橄榄石，而是一种由铁镁方石（ferropericlase）组成的缺陷——这是下地幔的主要成分之一。铁镁方石的重量中只有不到百分之一是水。但考虑到下地幔占地球总质量的一半，雅各布森认为，它可能在这一层的岩石中储存着另一个海洋质量的水。

海底

地球表面以下的水并不是静止不动的：它在循环，随着构造板块的移动而被带走。2018 年，圣路易斯华盛顿大学的道格·维恩斯 (Doug Wiens) 及其同事发布了一项重大公告，他们当时一直在监测马里亚纳海沟——一个包含海洋最深处、约 36000 英尺的沟槽。在那里，太平洋板块通过称为俯冲的过程远远地插入到邻近的菲律宾海板块之下，将大量吸收的水带到上地幔。

维恩斯的团队使用了一个由 20 个海底地震仪组成的网络来测量下方地幔岩石的水含量，并发现海底以下 60 至 100 英里处沉积的水量是先前估计的四倍多。雅各布森说，将他们的结果推广到世界所有的俯冲带，表明地幔中的海水输入量约为一个海洋质量的水。

“我们有海洋中的一个海洋质量，上地幔中的另一个，”雅各布森解释道。“假设过渡带里还有两个。”他估计，地壳和下地幔加起来可能还有另一个海洋质量，总共“大约是五个海洋质量”。而这个统计数字甚至还没有考虑到我们星球的核心，它可能还含有其他的水成分，尽管用现有的技术很难探测到这个最内部的区域。

“这是留给后代去解决的问题，”雅各布森说。“但既然我们已经看到了黑洞，一切皆有可能。”

水——有什么用？

推断隐藏的海洋数量不仅仅是一个数字游戏。哥伦比亚大学的地球物理学家唐娜·希林顿 (Donna Shillington) 在 2018 年的一篇文章中写道，“水对于地球内部的运作以及地球的表面过程都至关重要。”

俄亥俄州立大学的地球物理学家温迪·帕内罗 (Wendy Panero) 解释说，“它使岩石更不坚硬，更具流动性，从而使板块构造成为可能。”板块构造反过来又是一个使地球宜居的关键部分；它就像一个巨大的传送带，促进热量、水和化学物质的持续循环。更重要的是，帕内罗说，“它在很大程度上负责在数百万年的时间尺度上保持地球气候的稳定。”

雅各布森职业生涯的早期，他并不关心地球水的来源——他认为这个问题“曾在所有主要宗教文本中被讨论过，包括《古兰经》和《旧约》。”但随着地下水估算量的增加，他开始更仔细地研究通过板块构造和俯冲将水输送到深处的速度。他的计算表明，从海洋到地幔输送水可能需要数十亿年，大约是我们星球的年龄。

因此，雅各布森质疑许多天文学家所接受的结论：即地球的大部分水是由小行星和彗星带到地表的。相反，他认为地球形成之初就存在大量的水，并且我们当前海洋中的大部分水是从下面的岩石中“挤压出来”的。

“整个故事中最酷的是，我们过去在思考地球水的起源时总是看向外太空，”雅各布森说。“但当我们深入地球内部，向下看一千公里或更远时，我们正从内部寻找这种宝贵液体的来源线索。”

史蒂夫·纳迪斯 (Steve Nadis)，《Discover》的特约编辑，他喜欢在马萨诸塞州剑桥打手球和排球，他和他的妻子、两个女儿以及一只淘气的狗住在一起。