“地球的水從何而來”是一個由來已久的謎題，解開這個謎對于理解生命如何出現(xiàn)以及地球內(nèi)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(fā)現(xiàn)兩種新的水合硅酸鎂(Mg2SiO5H2)結(jié)構(gòu)，可以作為地球早期水的儲存介質(zhì)存在。在核幔分離之后，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(fā)表在物理學期刊《物理評論快報》上。

關于水的起源有兩種觀點

目前，關于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，并儲藏于地球內(nèi)部;二是“天堂起源說”，認為在地球形成后，富水隕石轟炸提供了大量的水。

最近，越來越多的證據(jù)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(fā)現(xiàn)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云，遠低于彗星等太陽系外圍物質(zhì)。這給地球內(nèi)部的水可能直接來自原太陽星云的觀點提供了有力證據(jù)。

董校解釋：“氘氫比被認為是水起源的標識，隨著太陽的‘點燃’和而后的太陽風作用，太陽系外圍氘氫比和原始太陽星云是不同的。地球的氘氫比與原始太陽星云一樣，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(jù)。”

然而，這一假說存在相當大的問題。與其他行星材料如鐵、硅酸鹽相比，水的熔點和沸點要低得多，因此在新生地球數(shù)千度的炙熱表面，水會被蒸發(fā)到太空中。由此可見，水只能存在于新生地球的內(nèi)部深處，并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(zhì)存儲形式尚不明確。

發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的含水新礦物

董校長期從事極端條件下新奇物質(zhì)的設計及物性預測的研究。通過第一性原理計算和結(jié)構(gòu)預測方法，其發(fā)現(xiàn)在數(shù)百萬大氣壓的條件下出現(xiàn)兩種未被發(fā)現(xiàn)的新的穩(wěn)定水合硅酸鎂結(jié)構(gòu)，并將它們命名為α相和β相。其中，α相穩(wěn)定的壓力區(qū)間為262—338吉帕，β相的穩(wěn)定區(qū)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(jié)構(gòu)的主要區(qū)別為鎂離子周圍具有不同的氧原子數(shù)。

第一性原理計算表明，在壓力為300吉帕時，水合硅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，高于大多數(shù)其他報道的氫氧礦物的含水量。

“理論計算表明，這種水合硅酸鎂耐熱性遠好于其他含水礦物，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(nèi)部，因為核幔尚未分離，硅酸鹽和過量的氧化鎂可能深入地球內(nèi)部深處，從而承受遠比現(xiàn)今高的壓力，比如在壓強高于262吉帕的情況下，其就可以以水合硅酸鎂的形式儲存水分。

計算表明，理想狀態(tài)下早期地球內(nèi)部以水合硅酸鎂的形式最多可以儲存8倍于現(xiàn)今海洋質(zhì)量的水。

隨著核幔分離的進行，鐵質(zhì)核區(qū)逐漸長大，從而將硅酸鹽抬高并降低其所受壓力，迫使水合硅酸鎂分解釋放水分。而釋放出的水分通過復雜的地球物理和化學過程到達地表。此時，地表已經(jīng)足夠冷卻，能夠保證液態(tài)水的存在，形成原始海洋。

而水合硅酸鎂的分解產(chǎn)物，硅酸鎂和氧化鎂被留在下地幔，至今仍發(fā)揮著重要作用。

“水合硅酸鎂的發(fā)現(xiàn)對于人類認識其他類地行星，尤其是超級地球中的物質(zhì)循環(huán)也具有重要意義。”董校表示，這項研究填補了含水硅酸鹽體系在數(shù)百吉帕壓力下物質(zhì)存在形式的空白，開拓了早期地球水和輕元素循環(huán)的新視角，加深了人們對核幔分離過程中物質(zhì)存在和循環(huán)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(chuàng)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，我們至今仍并不確定現(xiàn)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(qū)在早期地球中能夠充當水的載體，那么在其他類地行星中，也會有相似的水儲存過程，并影響他們的演化”。(科技日報記者 陳 曦 通訊員 喬仁銘)

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