海の水はどこから来たのか？3つの重要な段階

複数の起源を持つ惑星規模の謎

宇宙に遍在する分子

水（H₂O）は、宇宙において（H₂）と（CO）に次ぐ豊富な分子の一つであり、地球上でのその存在は、太陽系が形成されたガスと塵の広大な貯蔵庫である原始太陽雲に起源を持つ。

水圏を説明する3つの時代

水は地球表面の70％以上を覆っているが、その起源はまだ多くの疑問を提起している。この惑星は常に水和していたのか？それは原始太陽雲の遺産なのか、それとも偶然の衝突の結果なのか？今日、地球化学者と惑星科学者は、地球の水の歴史における3つの大きな段階すなわち「時代」を特定している。これらの複数の起源が、水圏をそれ自体独立した研究対象にしている。

第一の時代：太陽星雲に取り込まれた原始水

降着以来の含水鉱物

46億年前の地球の形成時、降着した物質のかなりの部分がすでに含水鉱物、特に炭素質コンドライトに由来するケイ酸塩を含んでいた。 フィロケイ酸塩の形で水に富むこれらの隕石は、その質量の最大10％をH\(_2\)Oとして含んでいる。
地球内部はこうして降着以来、この水を結合した形で安定化させるのに十分な圧力で、マントルに水を閉じ込めることができた。 マントルは今日でも、現在の海洋の質量の2倍から10倍もの水を含んでいる可能性があると推定されている。

N.B.：
フィロケイ酸塩は、水と水酸化物イオン\((OH^-)\)が原子層の間に統合されたシート状の構造を持つ鉱物である。炭素質隕石におけるそれらの存在は、液体の水との古代の相互作用を証明しており、太陽系の天体の水和の最初の段階を理解するための鍵となるトレーサーとなっている。

第二の時代：後期重爆撃

氷天体の大規模な流入

41億年前から38億年前の間に、地球は惑星再編成（ニースモデル）に由来する天体の大規模な流入を受けた。 氷に富む彗星や小惑星が当時、地表に水を届けた。
海洋中の重水素（\(D/H\)）の同位体分析は、特定のクラスのコンドライト（特にCM）のシグネチャに近いが、オールト型彗星のものとは異なるシグネチャを示している。
後期重爆撃はまた、熱効果によって深部に閉じ込められた水の一部を脱ガスさせ、原始水圏を開始させた。

N.B.：
コンドライト（CMは「ミゲイ型炭素質コンドライト」の略）は、含水鉱物に特に富む原始的な隕石であり、結合した形で最大10％の水を含んでいる。それらの水素同位体組成（\(D/H\)）は地球の海洋のものに非常に近く、原始地球の主要な水源として有力な候補となっている。

第三の時代：リサイクルと構造的安定化

プレートテクトニクスの確立

35億年前以降、地球は相対的な内部および外部の安定性の段階に入り、プレートテクトニクスの漸進的な確立によって特徴づけられる。太陽系で唯一のこの動的システムは、地表（海洋、地殻）と惑星内部（上部マントル）の間の水の継続的なリサイクルを可能にする。 この水はまた、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影響を与える。

沈み込みの基本的な役割

沈み込みの間、含水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に侵入する。増大する圧力と温度の影響下で、これらの物質は沈み込むプレートの上で水を放出し、マントルの部分溶融を引き起こし、島弧の火山に供給する。このプロセスは火山脱ガスによって水蒸気を大気中に再放出する。

含水鉱物と熱安定性

この深部水循環は、水を運ぶ鉱物（ローソン石、緑泥石、蛇紋石など）の熱力学的平衡によって制御されており、これらは正確な圧力（3〜10 GPa）と500〜800 °C程度の温度で脱水する。現在の地球化学モデルは、毎年約2〜3 km\(^3\)の水が沈み込み、火山活動によって同程度の量が放出されると示唆している。

惑星規模の調節サイクル

このメカニズムは、構造的サーモスタットを介して海洋の体積と地球規模の気候の長期的な調節を保証する。水はまた、岩石圏プレートの滑りにおいて潤滑の役割を果たし、それらの実効粘度を低下させ、マントル対流運動を促進する。

マントル内の巨大な水貯蔵庫

このリサイクルは、マントル遷移帯（深さ410〜660 km）における水の深部貯蔵と結合され、30億年以上にわたって安定した水圏を維持することを可能にしている。いくつかのモデルは、マントルがワズレアイトやリングウッダイトのような鉱物に閉じ込められた、現在の海洋の質量の最大3倍を含む可能性があると推定している。このマントル遷移帯はしたがって主要な貯蔵庫を構成している。

N.B.：
ワズレアイトとリングウッダイトは、高圧下で結晶構造に数パーセントの水を組み込むことができるケイ酸マグネシウムの多形である。地球のマントル遷移帯におけるそれらの存在は、巨大な地下水貯蔵庫を示唆している。

地球上の水：不安定な均衡

安定しているが少数派の水圏

地球の水の総質量は約\(1.4 \times 10^{21}\) kgと推定されている。しかし、利用可能な割合（0.023％）だけが液体の形で地表でアクセス可能である。 残りは氷、地下水、含水鉱物に閉じ込められている。 地球は30億年以上にわたって安定した水圏を持つという点で特異な事例であり続けている。

以下の表は、地球の水の3つの時代とその同位体シグネチャをまとめたものである。

地球の水：三重の起源

複数のプロセスから生じるハイブリッドモデル

長い間、研究者たちは地球の水が本質的に内部脱ガス（降着）から来たのか、外部からの寄与（彗星および小惑星の爆撃）から来たのか、それとも地球力学的リサイクルから来たのかを議論してきた。現代の同位体、鉱物学的、地球物理学的データは、今日、ハイブリッドモデルを示唆しており、その中で惑星史の各時代が現在の水圏を形成することに貢献した。

第一の時代：原始的降着の遺産

含水原始物質の降着によって特徴づけられる第一の時代は、マントルに閉じ込められた水の内部貯蔵庫を提供した。この水は地表では見えないが、地球の内部ダイナミクスにおいて基本的な役割を果たしている。特定のマントル包有物の同位体比\(D/H\)は、この水が惑星形成の最初の段階から存在しているという考えを裏付けている。

第二の時代：コンドライトによる外来性の寄与

後期重爆撃に関連する第二の時代は、表層を外来性の水で豊かにした。特にCM型炭素質コンドライトは、海洋のものに近い\(D/H\)比を持ち、現在の地表水との適合性を示唆している。この寄与はおそらく冥王代における最初の液体海洋の出現を可能にした。

第三の時代：テクトニクスによる安定化

最後に、第三の時代は安定化の役割を果たす。プレートテクトニクスを通じて、地球は地表と内部の間で水を継続的にリサイクルする。このメカニズムは、大気損失と気候変動にもかかわらず、地表でアクセス可能な液体の水の量が数十億年にわたって全体的に安定している理由を説明している。

継承された寄与の統合

したがって、地球の水圏は単一の出来事の遺産ではなく、連続するプロセスの結果であり、そこでは各時代が異なる形態（液体、鉱物、気体）と異なる深さで水の存在を強化した。この多段階シナリオは、地球の水システムの複雑さと回復力を反映している。

N.B.：
この3つの時代モデルは今日、同位体データ（\(D/H\)、\(^{18}O/^{16}O\)）、マントルの熱モデリング、および超深部ダイヤモンド中のリングウッダイト包有物のような水を含む深部鉱物の分析の間の収束によって強化されている。