地球上的水从何而来？

凯伦·米奇不花很多时间挖掘地球岩石。她是一名天文学家，通常在望远镜后面，研究彗星并寻找地球如何获得水的线索。但在2004年的一次冰岛实地考察最终让她近十年后在夏威夷的陨石坑中四处奔波，寻找有助于地球生命诞生的液体的线索。

在那次命运多舛的冰岛之旅中，米奇看到了地热区，气体从地下冒出。导游告诉大家不用担心——那只是水。“然后她说，‘这可能就是原始水’，这让我灵光一现，”米奇说。

水的“口味”

地球水的来源一直是个未解之谜；米奇本人已经努力解决了至少20年。大部分研究都集中在区分构成水的各种氢同位素——或者用格拉斯哥大学的莉迪亚·哈里斯的话来说，就是“水的口味”。其中一种“口味”是重水，这是一种含有氘的水，氘是氢的一种同位素，其原子核包含一个质子和一个中子。普通氢缺乏中子，因此含有氘的水比普通水重。

通过模拟早期太阳系中的条件，研究人员可以计算出行星形成时重水与普通水的比例。在地球上，观测到的比例高于年轻太阳系中的比例，这使得许多天文学家怀疑水是外来的，因为这个比例应该随着时间的推移保持不变。如今，大多数科学家认为小行星将水带到了年轻、干燥的地球。

米奇对此观点持怀疑态度，因为地球的氘氢比 (D/H) 值与重水与普通水的比例有关，通常基于当今海洋的成分。重水含量高的储层具有高 D/H 比，而贫氘储层则显示较低的比例。

但地球的氘氢比应该随着时间而改变。和大多数行星一样，地球可能失去了一些大气层到太空中，而较轻的氢比重氢更容易从行星上剥离。地质过程，例如湖泊和海洋等水库的水蒸发，也会改变这一比例，生物反应也会，因为较轻的同位素在代谢过程中与较重的同位素使用方式不同。所有这些过程都会使现代地球的氘氢比高于行星刚形成时。

当米奇听说原始水可能从冰岛地表喷出时，她对研究最早水“口味”的机会感到兴奋。但在与一位地质学家交谈后，她了解到这些羽流实际上来自较近期的活动——它们毕竟不是原始水。然而，这位地质学家透露，从地球地幔带上来的一些岩石物质确实含有微量的水。这些物质可能从未与地表物质混合，并且可能代表着地球早期的水。没有人研究过这些样本中的氘氢比，因为当时测量这项技术是新的。但米奇所在的夏威夷大学刚刚购买了一台新的离子微探针，可能能够完成这项工作。

“我想，哇，这是一种我们可以实际测量原始指纹的方法，”米奇说，“那时，我非常兴奋。”

什么是重水？

重水，或 D2O，含有氘代替氢。氘是氢的一种同位素，其原子核包含一个质子和一个中子，而普通氢只含一个质子。样本中重水与普通水的比例为科学家提供了关于其形成方式的信息——研究人员现在正在利用这些信息来尝试揭示地球水的起源。

寻找罪魁祸首

地球和其余行星形成于太阳诞生后残留的一团气体中。这种被称为太阳星云的物质包含了构成行星的所有元素，其组成随距太阳距离的不同而变化。恒星附近的区域太热，一些物质无法凝结成冰，而冰则在太阳系的外围形成。在地球周围，氢和其他元素只能以气体的形式存在。由于星云寿命很短，大多数科学家怀疑地球没有足够的时间在这些气体逸散到太空中之前收集它们。这一观点，加上行星较高的氘氢比，使得许多人认为地球的水一定是在地球冷却后才到达的。

当欧洲的乔托号探测器在1986年访问哈雷彗星时，研究人员注意到它的重水含量高于早期太阳系中地球附近区域的气体。一个新的理论出现了：彗星可能将水带到了早期地球。行星形成后，巨大的天体将继续搅动一切，像木星这样的巨行星将一些物质抛向太阳系内部。在太阳系外围形成的冰冷天体可能被抛向地球，以巨大的富含水的撞击形式降落。

但随着其他任务探测了更多的彗星，人们发现它们的重水含量并不一致。事实上，大多数彗星的重水比例太高，不足以将水带到地球。一定有其他原因。

彗星并不是气态巨行星唯一抛出的东西。在太阳系早期历史中，木星穿过小行星带时，将岩石碎片向各个方向散射。像彗星一样，一些物质降落在地球上。与彗星不同，小行星不以冰的形式锁住水。相反，它们将水的组成部分——氢和氧——困在矿物中。此外，小行星中的重水含量与地球目前的比例非常接近。这就是为什么小行星是地球水来源的主要嫌疑人。

“实际上，我们谈论的不是水；我们谈论的是氢，”美国宇航局约翰逊航天中心的地球化学家安妮·佩斯利尔说。佩斯利尔研究地球地幔和其他类地行星的地球化学，包括矿物中捕获的氢。

当地球形成时，围绕着不断增长的行星的氢被捕获在其岩石和矿物中。当富氢和富氧矿物由于地幔的热量而熔化时，产生的水会从地壳中喷出。

地幔大部分是岩石，大量的氢和氧可以被困在其中。研究人员估计，地幔中可能存在多达10个海洋的水。

火山喷发通常会从地球地幔的上部（靠近地表区域）带出岩浆。这种物质更容易被地壳中的氢污染，地壳中的氢含有与今天海洋中测量到的相同的较高 D/H 比率。更原始的样品则位于地幔更深处。尽管那里很热，但地幔岩石中只有不到20%熔化了，佩斯利尔说。当熔化的物质喷发时，它会对固体岩石产生剧烈影响。

“如果 [熔岩] 足够快和足够猛烈，它们有时会撞碎沿途经过的碎片，”佩斯利尔说。她将结果——称为地幔包体，源自希腊语“外来岩石”——描述为嵌入黑色熔岩中的亮绿色橄榄石和黑色辉石晶体。

如果富氢橄榄石晶体在地球形成早期被捕获，并在地球45亿年的生命中保持未受扰动，它们可能会揭示古老的重水和普通水的比例如何变化，如果它们确实变化了的话。这些微小的时间胶囊可以为关于地球水来源的长期问题提供答案。

但首先，它们必须被找到。

追寻原始水

尽管米奇对太阳系中的水了解很多，但她对地球上的岩石并不熟悉。她请来了当时还是博士后学生的哈里斯，让她负责地质挖掘工作，寻找早期普通水和重水的“指纹”。哈里斯对在夏威夷的陨石坑和加拿大巴芬岛的海岸线上四处奔波寻找线索的机会很感兴趣。巴芬岛是少数几个可以接触到地球深层地幔的地方之一。形成该岛的火山爆发链也形成了格陵兰岛和冰岛。“巴芬岛的样本是我们拥有的最原始的深层地幔样本，”哈里斯说。

哈里斯还收到了唐·弗朗西斯（现为蒙特利尔麦吉尔大学荣休教授）从一个名为帕德洛平（位于加拿大东海岸和巴芬岛西北部的一座无人居住的小岛）收集的样本。据哈里斯称，弗朗西斯于1985年收集了他的第一批样本。帕德洛平岛的隔离意味着研究人员必须乘船前往并在那里扎营。陡峭的悬崖提供了大量的落石，弗朗西斯从海滩上捡拾了外观最好的矿物。2004年的回访又收获了更多的样本。

“我真的很想再去一次 [帕德洛平岛]， ”哈里斯说。陡峭的悬崖使收集样本变得困难，但如果她能从陡峭的悬壁上获取一些样本，她就能准确地确定物质何时何地上升到地表。

有了保存完好的样品，哈里斯和她的同事们开始系统地销毁它们。岩石被磨成沙子般的粉末。科学家们使用微探针，按颜色对封闭的晶体进行分类。

米奇协助对晶体进行分类。“我发现很难操作那些微小的沙粒而不把它们洒到地上，”她懊悔地承认。

部分过程涉及确保样本是在火山羽流爆发时从地幔而不是地壳中剥离的。此前对巴芬岛矿物的研究表明，它们来自地幔深处，矿物学证据表明，哈里斯实验室中的样本很可能是原始的。微小的玻璃珠部分受到橄榄石晶体的保护，橄榄石晶体充当屏障，防止岩石到达地表后风化。即便如此，它们也并非完全完美。

“即使是我们最原始的样本，也并非百分之百完全是深层地幔的，”哈里斯说，“它总会掺杂一些 [上部] 地幔的物质，仅仅因为它必须穿过如此多的地幔才能到达地表。”

虽然巴芬岛的样本没有地壳污染，但研究团队对在大学附近收集的岩石却不那么幸运。夏威夷矿物遭受了风化，并受到了地表水的严重影响，很可能是雨水。这些污染使得这些样本无法揭示原始水的“味道”。

在最终获得了地球水的第一批指纹之后，米奇和哈里斯开始将它们与其他样本进行比较。哈里斯原以为会观测到与被认为将水带到年轻地球的陨石更接近的重水含量。然而，样本中的重水含量比普通水少约25%——远低于预期。

“这有点出人意料，”哈里斯说，“这表明碳质球粒陨石 [一种陨石] 并非地球水来源的良好匹配。” 虽然陨石可能提供了一些地球水，但她不认为它们提供了所有水。

地球水的来源

这些样本表明地球水的来源是什么？哈里斯怀疑它来自太阳星云。尽管许多科学家认为星云会在600万年内消散——远早于我们的星球长大到足以捕获它——她指出，已经发现了几颗年轻恒星周围有气体长达1000万年。这将给最终构成地球的微小岩石足够的时间将氢和氮等元素纳入其结构。哈里斯说，太阳系中的氮和氢往往是相互关联的——“如果你有某种口味的氢，你就会有某种口味的氮，”她说。

“也许地球内部仍然保留着这些最初的氢源，”新墨西哥大学的研究员扎卡里·夏普说，他也怀疑地球的D/H比率随着时间发生了变化。

哈里斯的研究结果并非唯一表明地球大部分水可能从一开始就存在的证据。虽然月球曾被认为完全干燥，但最近对阿波罗月岩的重新检查发现了水的痕迹。月球形成的主流理论是，当一个火星大小的物体撞击年轻地球时，月球形成了。地表的液态水会被汽化，导致许多人得出结论，地球必须从其他地方获得更多的水。但月球样本中较低的氘氢比表明，月球可能将其内部矿物中的水收集起来，这个区域既没有被彗星也没有被小行星污染。后来的火山喷发将这些物质抛向地表，由宇航员带回地球。

这为什么重要？哈里斯说，撞击后的高温将类似于太阳星云中的温度。这有助于证明即使在炎热的早期太阳系中，挥发物和水也可以吸积。

但是氢有重和轻两种“口味”，那不是意味着比例可以朝任何方向改变吗？夏普认为并非如此，他重新审视了地球大部分水可能来自星云而不是后来撞击的观点。“增加样本的同位素比例很容易，但降低它们却很困难，”他说。这是因为较轻的氢更容易去除。例如，氢更容易上升到大气层顶部，在那里太阳风可以将其剥离。较重的氘倾向于停留在更靠近地面的地方。

小行星也提供了地球水可能来自孕育行星的气体的线索。对大型小行星灶神星的陨石研究表明，其重水比例与巴芬岛的估计值相似。

“现在我们在地球、月球和灶神星以及小行星的水库中都发现了低值，也许 [星云] 的故事是可能的，”亚利桑那州立大学研究灶神星的爱丽丝·斯特凡特说。“看起来它们都共享一个共同的储层，其 [氘含量] 比我们想象的要低。”

确凿证据

哈里斯、米奇及其同事揭示的较低氘氢比尚未被广泛接受。卡内基科学研究所的宇宙化学家科内尔·亚历山大表示，其他研究人员没有立即改变他们对地球水来源看法的两个原因。

反对该结果的一个论点源于哈里斯如何推断其测量中的同位素和元素丰度；亚历山大说，一些科学家不同意她的方法最终得出的数字。另一个问题是哈里斯如何解释她的结果。“莉迪亚的解释是独一无二的，”亚历山大说，“可能还有其他方法可以将氢引入她正在测量的熔融包裹体中。”

亚历山大主要担心的是，仅使用单一岩石来源——巴芬岛样本——来估算整个星球的古老比例。“地球的主体可能具有完全不同的组成，而且海洋岛屿的玄武岩可能有些奇怪，”他说。他希望其他科学家能够追随哈里斯的脚步，测量各种深层地幔羽流的氘氢比。

哈里斯已准备好独自前往帕德洛平岛收集更多样本。她想做的一件事是不仅研究所涉及的氢，还研究氮。但是分析样本中的氮比寻找氢更困难，部分原因是这些样本中的氮含量甚至比氢还少。测量氮还需要非常高精度的仪器。哈里斯说，这正在挑战当前技术的极限。

亚历山大说，哈里斯从未来样本中寻找氮的目标也将有助于消除对巴芬岛样本原始性质的任何疑问。“如果她能证明这些包裹体中同时含有轻氢和轻氮，我认为那将是确凿证据，”他说。

“如果氮遵循氢，那么我们就证明了我们的理论，即 [样本] 是原始的，”哈里斯说。

诺拉·泰勒·雷德 是一位自由科学作家，专注于太空和天文学。