陸水の 3 つの時代: 複数の起源

複数の起源を持つ世界的なミステリー

水 (H₂O) は、宇宙で (H₂) と (CO) に次いで最も豊富な分子の 1 つであり、地球上でのその存在の起源は、太陽系が形成されたガスと塵の広大な貯留体である原始太陽雲にあります。

水は地球の表面の 70% 以上を覆っていますが、その起源には依然として多くの疑問が残されています。地球には常に水分が補給されていたのでしょうか?これは原始太陽雲の遺産なのでしょうか、それとも偶然の衝突の結果なのでしょうか？今日、地球化学者と惑星学者は、陸水の歴史における 3 つの主要な段階、つまり「時代」を特定しています。

第一紀: 太陽系星雲に組み込まれた原始の水

地球が 45 億 6,000 万年前に形成されたとき、降着物質のかなりの部分にはすでに水和鉱物、特に炭素質コンドライトからのケイ酸塩が含まれていました。 層状ケイ酸塩の形をしたこれらの水分が豊富な隕石には、質量の最大 10% の H\(_2\)O が含まれています。
したがって、地球内部は、降着時に水を結合した形で安定させるのに十分な圧力で水をマントル内に閉じ込めることができました。 マントルには今日の海洋の最大 2 ～ 10 倍の質量がまだ含まれている可能性があると推定されています。

注： :
ザ層状ケイ酸塩原子層の間に水と水酸イオン \((OH^-)\) が一体化したシート構造を持つ鉱物です。炭素質隕石中に存在することは、古代に液体の水と相互作用があったことを証明しており、太陽系の物体の水和の最初の段階を理解するための重要な追跡装置となっています。

第二紀: 後期大爆撃

41億年から38億年前の間、地球は惑星再編の結果として大量の天体の流入を経験しました（ニースモデル）。 氷が豊富な彗星や小惑星は、水を地表にもたらしました。
海洋における重水素 (\(D/H\)) の同位体分析では、特定の種類のコンドライト (特に CM) の同位体に近い特徴が示されていますが、オールト型彗星の特徴とは異なります。
この砲撃により、深層に閉じ込められていた水の一部が熱効果によって脱ガスされ、原始水圏が開始されることも可能になった。

注： :
ザコンドライト(CM は「ミヘイ型炭素質コンドライト」の略) は原始的な隕石で、水和鉱物が特に豊富で、結合した形で最大 10% の水を含みます。その水素同位体組成 (\(D/H\)) は地球の海洋の組成に非常に近いため、初期地球の主要な水源として有力な候補となっています。

第三の時代: リサイクルと地殻の安定化

プレートテクトニクスの確立

35 億年前から、地球は相対的な内部および外部の安定期に入り、プレートテクトニクス。太陽系のこのユニークな動的システムにより、継続的な水のリサイクル地球の表面（海洋、地殻）と惑星の内部（上部マントル）の間。 この水は、断層の摩擦を減らすことによってプレートテクトニクスにも影響を与えます。

沈み込みの基本的な役割

その間、沈み込み、水和した堆積物と玄武岩質地殻を積んだ海洋プレートがマントルを貫通します。圧力と温度の上昇の影響で、これらの物質は急落プレートの上に水を放出し、マントルの部分的な融解を引き起こし、島弧の火山に栄養を与えます。このプロセスでは、火山ガスの放出を通じて水蒸気が大気中に放出されます。

水和ミネラルと熱安定性

この深層水のサイクルは、正確な圧力 (3 ～ 10 GPa) と 500 ～ 800 °C 程度の温度で脱水する含水鉱物 (ローソン石、緑泥石、蛇紋岩など) の熱力学的平衡によって制御されます。現在の地球化学モデルでは、毎年約 2 ～ 3 km\(^3\) の水が沈み込み、同量の水が火山活動によって放出されることが示唆されています。

地球規模の規制サイクル

このメカニズムにより、長期規制海洋の体積と地球の気候について地殻変動サーモスタット。水はリソスフェアプレートの滑りにおいて潤滑の役割も果たし、プレートの有効粘度を低下させ、マントルの対流運動を促進します。

コート内の巨大な貯水池

このリサイクルと相まって、深いストレージマントル遷移帯 (深さ 410 ～ 660 km) に存在する水の量により、30 億年以上にわたって安定した水圏を維持することが可能になります。一部のモデルは、マントルには現在の海洋質量の最大3倍のワズレイ石やリングウッダイトなどの鉱物が閉じ込められている可能性があると推定している。

注： :
そこにはワズレイトそしてリングウッダイト高圧下で結晶構造に数パーセントの水を取り込むことができるケイ酸マグネシウムの多形体です。地球のマントルの遷移領域にそれらが存在することは、巨大な地下水の貯留を示唆しています。

地球上の水: 不安定なバランス

地球の水の総質量は約 \(1.4 \times 10^{21}\) kg と推定されています。しかし、地表では液体の状態で利用できるのはほんの一部 (0.023%) だけです。 残りは氷、地下水、水和鉱物の中に閉じ込められています。 地球は、30 億年以上にわたって安定した水圏をもつ特異なケースです。

出典:自然 – マーティら。 (2015)、科学 – Alexander et al. (2012)、NASA – 太陽系探査。