最后更新：2025年8月6日

陆地水的三个时代：多重起源

地球上的水之起源 — *艺术家视角描绘了地球水资源的原始来源随时间的演变。图片来源：astronoo.com*

一个具有多重起源的行星之谜

水（H₂O）是宇宙中仅次于氢（H₂）和一氧化碳（CO）的最丰富分子之一，其在地球上的存在源于原太阳星云——即形成太阳系的巨大气体与尘埃库。

水覆盖了地球表面超过70%的面积，但其起源仍引发诸多疑问。这颗行星是否一直拥有水？它是原太阳星云的遗产，还是偶然碰撞的结果？如今，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"。

第一纪元：原初之水融入太阳星云

在45.6亿年前地球形成期间，吸积物质中已有相当部分含有含水矿物，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存在的富水陨石中，H₂O含量可达其质量的10%。因此，地球内部从吸积初期就能将水封存于地幔中，且足够高的压力使水以结合态稳定存在。据估算，现今地幔中仍可能含有当前海洋水量2至10倍的水。

注：层状硅酸盐是一种具有层状结构的矿物，其中水和氢氧根离子\((OH^-)\)嵌入原子层之间。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，使其成为理解太阳系天体早期水合阶段的关键示踪物。

第二纪元：后期重轰炸期

41亿至38亿年前，地球因行星重组（尼斯模型）而遭受大量天体撞击。富含冰的彗星和小行星随后将水输送至地表。对海洋中氘氢同位素比（\(D/H\)）的分析显示，其同位素特征与某些碳质球粒陨石（尤其是CM型）接近，但与奥尔特云彗星不同。此次轰击还通过热效应使部分深层水脱气，从而催生了原始水圈。

注：碳质球粒陨石（CM型，即“Mighei型碳质球粒陨石”）是富含含水矿物的原始陨石，其中结合水含量高达10%。其氢同位素组成（\(D/H\)）与地球海洋的氢同位素组成非常接近，因此被认为是原始地球水的主要来源之一。

第三纪：循环与构造稳定

板块构造的建立

从35亿年前开始，地球进入了一个内外相对稳定的阶段，其标志是板块构造的逐步形成。这一太阳系中独特的动态系统使得水能够在地表（海洋、地壳）与地球内部（上地幔）之间持续循环。同时，这些水通过降低断层摩擦力，也对板块构造产生了影响。

俯冲的基本作用

在俯冲过程中，富含水合沉积物和玄武岩地壳的海洋板块深入地幔。在不断增加的压力和温度作用下，这些物质在俯冲板块上方释放水分，引发地幔部分熔融，并为岛弧火山提供物质来源。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

这一深层水循环受含水矿物（如硬柱石、绿泥石或蛇纹石）的热力学平衡控制，这些矿物在精确的压力（3至10吉帕）和约500至800摄氏度的温度下发生脱水。当前的地球化学模型表明，每年约有2至3立方千米的水被俯冲带带入地下，而火山活动释放的水量与之相当。

行星尺度的调节机制

这一机制通过构造恒温器确保了对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到润滑作用，降低其有效粘度，促进地幔对流运动。

地幔中蕴藏着巨大的水储库

这种循环，加上地幔过渡带（深度410–660公里）中水的深层储存，使得水圈在超过30亿年的时间里保持稳定。一些模型估计，地幔中可能含有相当于当前海洋质量三倍的水，这些水被锁存在瓦兹利石和尖晶橄榄石等矿物中。

注：瓦兹利石和林伍德石是镁硅酸盐的多晶型物，在高压条件下其晶体结构可容纳百分之几的水分。它们存在于地球地幔过渡带中，暗示着存在一个巨大的地下水库。

地球上的水：一种脆弱的平衡

地球上的总水量估计约为 \(1.4 \times 10^{21}\) 千克，但其中仅有一小部分（0.023%）以液态形式存在于地表。其余的水被禁锢在冰层、地下含水层以及含水矿物中。地球仍是一个独特案例，其水圈已稳定存在超过30亿年。

陆地水三时代表
Age	时期	水源	同位素特征
1. 原始之水	4.56 – 44亿年前	来自球粒陨石的水合矿物	低（D/H），深部地幔
2. 晚期轰击	4.1 – 38亿年	彗星，小行星	中等 \((D/H)\)，靠近海洋
3. 内部回收	35亿年前至今	构造学，俯冲作用	稳定，接近当前