海洋的水从何而来？三个关键阶段

具有多重起源的行星之谜

宇宙中无处不在的分子

水（H₂O）是宇宙中仅次于（H₂）和（CO）的丰富分子之一，它在地球上的存在起源于原始太阳云，即太阳系形成所依据的广阔气体和尘埃储库。

解释水圈的三时代

水覆盖了地球表面的70%以上，但其起源仍然引发许多问题。这颗行星一直都有水吗？它是原始太阳云的遗产，还是偶然碰撞的结果？今天，地球化学家和行星科学家确定了地球水历史中的三个主要阶段或"时代"。这些多重起源使水圈本身成为一个独立的研究对象。

第一时代：融入太阳星云的原始水

自吸积以来的含水矿物

在45.6亿年前地球形成期间，吸积物质的很大一部分已经含有含水矿物，特别是来自碳质球粒陨石的硅酸盐。 这些以层状硅酸盐形式富含水的陨石含有高达其质量10%的H\(_2\)O。
地球内部因此能够自吸积以来在其地幔中捕获水，具有足够的压力以结合形式稳定这些水。 据估计，地幔今天仍可能含有高达目前海洋质量的2至10倍。

N.B.：
层状硅酸盐是具有片状结构的矿物，其中水和水羟离子\((OH^-)\)被结合在原子层之间。它们在碳质陨石中的存在证明了与液态水的古老相互作用，这使它们成为理解太阳系天体水化最初阶段的关键示踪剂。

第二时代：晚期重轰击

冰质天体的大规模输入

在41亿至38亿年前之间，地球经历了来自行星重组（尼斯模型）的大量天体涌入。 富含冰的彗星和小行星当时将水输送到地表。
海洋中氘（\(D/H\)）的同位素分析显示，其特征与某些类型的球粒陨石（特别是CM）接近，但与奥尔特型彗星不同。
晚期重轰击还通过热效应使部分困在深处的水脱气，启动了原始水圈。

N.B.：
球粒陨石（CM为"米盖型碳质球粒陨石"）是特别富含含水矿物的原始陨石，含有高达10%的结合形式的水。它们的氢同位素组成（\(D/H\)）与地球海洋非常接近，这使它们成为原始地球主要水源的有力候选者。

第三时代：再循环与构造稳定

板块构造的建立

从35亿年前开始，地球进入相对内部和外部稳定的阶段，其标志是板块构造的逐步建立。这个太阳系中独一无二的动态系统允许地表（海洋、地壳）和行星内部（上地幔）之间的水持续再循环。 这些水还通过减少断层摩擦影响板块构造。

俯冲的基本作用

在俯冲期间，载有含水沉积物和玄武质地壳的海洋板块侵入地幔。在增加的压力和温度的作用下，这些物质在下降板块上方释放水，引发地幔部分熔融并为岛弧火山提供物质。这一过程通过火山脱气将水蒸气重新释放到大气中。

含水矿物与热稳定性

这种深部水循环由含水矿物（如硬柱石、绿泥石或蛇纹石）的热力学平衡控制，它们在精确的压力（3至10 GPa）和约500至800 °C的温度下脱水。目前的地球化学模型表明，每年约有2至3 km\(^3\)的水被俯冲，而火山活动释放出相当的量。

行星尺度的调节循环

这一机制通过构造恒温器确保了海洋体积和全球气候的长期调节。水还在岩石圈板块滑动中起润滑作用，降低其有效粘度并促进地幔对流运动。

地幔中的巨大水库

这种再循环与地幔过渡带（深410–660 km）中水的深部储存相结合，使水圈能够保持稳定超过30亿年。一些模型估计，地幔可能含有高达目前海洋质量三倍的水，被困在瓦兹利石和林伍德石等矿物中。因此，这个地幔过渡带构成了一个主要储库。

N.B.：
瓦兹利石和林伍德石是硅酸镁的多形体，能够在高压下将几个百分点的水结合到其晶体结构中。它们在地球地幔过渡带中的存在表明存在巨大的地下水储库。

地球上的水：脆弱的平衡

稳定但占少数的水圈

地球的水总质量估计约为\(1.4 \times 10^{21}\) kg。但只有可用的部分（0.023%）以液态形式在地表可获取。 其余被困在冰、地下水和含水矿物中。 地球因其水圈稳定超过30亿年而仍然是一个独特的案例。

下表总结了地球水的三个时代及其同位素特征。

地球的水：三重起源

由多个过程产生的混合模型

长期以来，研究人员一直在争论地球的水是主要来自内部脱气（吸积）、外部贡献（彗星和小行星轰击），还是地球动力学再循环。现代的同位素、矿物学和地球物理学数据现在表明存在一个混合模型，其中行星历史的每个时代都为塑造当前的水圈做出了贡献。

第一时代：原始吸积的遗产

以含水原始物质吸积为标志的第一时代，提供了困在地幔中的水的内部储库。这些水在地表不可见，但在地球的内部动力学中起着基本作用。某些地幔包裹体的同位素比\(D/H\)证实了这些水自行星形成的最初阶段就存在的观点。

第二时代：球粒陨石的外源输入

与晚期重轰击相关的第二时代丰富了表层的异源水。特别是CM型碳质球粒陨石，其\(D/H\)比接近海洋，表明与当前地表水的兼容性。这种输入可能使冥古代第一批液态海洋得以出现。

第三时代：通过构造稳定

最后，第三时代起着稳定作用：通过板块构造，地球不断在地表和内部之间再循环水。这一机制解释了为什么尽管存在大气损失和气候变化，地表可获取的液态水量在数十亿年间仍然总体稳定。

连续贡献的综合

因此，地球水圈不是单一事件的遗产，而是连续过程的结果，其中每个时代都以不同形式（液态、矿物、气态）和不同深度巩固了水的存在。这种多阶段情景反映了地球水系统的复杂性和韧性。

N.B.：
这个三时代模型现在通过同位素数据（\(D/H\)、\(^{18}O/^{16}O\)）、地幔热建模以及对含水深部矿物（如超深钻石中的林伍德石包裹体）的分析之间的趋同而得到加强。