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地球的海水起源自哪里?海水如何形成?

海洋是覆盖在固体地球圈层之上的水圈一部分,而且作为地球最大的水体———海洋也是地球区别于其他行星的显著标志。现今地球上的水作为重要的介质或地质流体,影响着深俯冲地壳的脱水、矿物相变、板片熔融、地幔交代与熔融、岩浆分离与结晶、火山喷发或溢流、岩石变形、深源地震等(李三忠等,2015b)。

1.海水的起源自哪里?

①海水是火山喷发释放的水长期积累的结果?

迄今,地球拥有13.7×108km3的液态海水。科学家早期认为海水是火山喷发释放的水长期积累的结果,但火山岩中含水量不到5%,即使地壳中火山岩中的水全部释放也不到目前海水量的50%,而且海水中含有火山岩中很少有的元素,如Cl、Na、K、Br、S、B、I、Bi、Ra等。

②海水是大气中冷凝出来的?

有学者提出海水是大气中冷凝出来的,但目前大气中含水蒸气仅为海水量的十万分之一。

③海水来自冰彗星雨?

第三种观点由美国物理学家弗兰克(1968)提出,认为海水来自冰彗星雨,但冰彗星体积小,与地球接触机会少,这种解释也存在很多的不合理性(吕炳全和余汉抛,1990)。

④地球水圈的形成是由星云物质中的水在地球形成过程中直接聚集而来?

目前科学家已经证实,通过对太阳系和宇宙分析,水并不是地球特有的物质。在宇宙空间,存在形成水的化学反应。星云物质中主要由H2(77%)和He(22%)组成,在高能宇宙射线的作用下,根据离子-分子反应法则,它们将发生一系列化学-核反应,形成包括水在内的许多元素和化合物(吕炳全和余汉抛,1990)。因而,水以多种形式大量存在于星际物质和太阳系中。在地球形成初期,原始宇宙物质通过涡流和凝聚作用聚集起来,地球在不断运转中使得以Fe、Ni为主的重元素向地心下沉,形成原始地核,另一些轻元素上浮形成硅酸盐原始地幔,并最终演化出原始地壳。水属于轻物质,自然聚集到地球表层。地球表层存在液态水,是因为地球正好处于太阳系中的宜居带,正好是水以液态存在的温度范围,因而通过不断的水聚集事件,形成水圈。

如果地球远离太阳一点,则地球上液态水可能冻结,相反,如果靠近太阳一点,则地球上的液态水可能蒸发殆尽或以离子态、气态形式存在。可见,地球水圈的形成是由星云物质中的水在地球形成过程中直接聚集而来,这也得到以下事实的佐证:

海水和宇宙中元素的化学状态基本一致,如海水中主要成分H、O、Na、Mg、Cl、K、Ca等元素以H2O、Na+、Mg2+、Cl-、K+、Ca2+等状态存在,这些元素的化学状态同样存在于宇宙中,共同点是重元素少、轻元素多,不同点是海水中He早已在早期大气中逸散,而Na、Mg、Ca以极性分子大量存在;

海水中含盐量高,标准盐度约3.5%,主要有Na、Mg、Cl、K、S和I等元素,这些元素在海水中丰度很高,它们并非是来自岩石风化的产物,而是与星际物质中的一致。所以,海水中盐类以原始状态存在至今,虽然经历了漫长的由地史时期火山喷发导致的水、大气电离层的离子水、彗星水的补充,但海水的基本性质没有改变。

2.海水如何形成?

水、大气圈和海洋的起源早于陆壳和洋壳的分异。关于最早的水的最可靠直接地质证据是来自最老锆石的氧同位素,它表明水在40亿年前就在原始地球表面稳定存在(Condie,2011)。水作为生命起源的必备条件,归纳起来有自生说和外生说。

自生说包括5种:

①早期地球因重力分异作用分化出了圈层,氢、氧气体上浮到地表,再通过各种物理及化学作用生成水。

②在玄武岩溢流后冷却形成原始地壳的过程中冷凝出的水。

③地球深部岩浆中富含的水。

④火山喷发释放出大量的水。

⑤原先一些矿物中的晶格水或结晶水在原始地球变热且部分熔融时,地球内部矿物脱水分解出部分水,水释放出来并随熔岩运移到地表,大部分以蒸气状态逸散,剩下的在漫长的地史进程中逐渐汇聚成洋;或者火山喷发释放出的CO、CO2等气体在高温下与氢作用生成了水。

外生说包括:

①球粒陨石大约占太阳系所有陨石总数的86%,球粒陨石含有一定量的水,含水量一般为0.5%~5%,有的高达10%以上,特别是碳质球粒陨石含水更多,所以它们在冲击地球过程中带来了水。

②太阳风到达地球大气圈上层,带来大量的H、C、O等原子核,这些原子核与大气圈中的电子结合形成氢原子、碳原子、氧原子等,经不同的化学反应形成水分子。然后,这种水以雨、雪的形式落到地球上。

按照早期的星云说,约45.6亿年前地球起源于混沌,即源于宇宙中的一团“气”(H和He)。但是,按照现代地球科学和宇宙学理论,地球上的物质可能起源于超新星爆发,最初的原始大气主要成分是H和He,在初始强烈的太阳风作用和地球引力较小的情况下,原始大气很快就消失了,并进入次生大气演化阶段。在4567Ma到最古老岩石的4000~3800Ma称为地球的冥古宙或黑暗时期,初生地球连续不断受到陨石和其他坠落物冲击。陨石在冲击地球的过程中使得岩石地幔熔化,并有部分蒸发,乃至形成硅酸盐大气圈(Stevenson,1987;Canup,2004)。如果事实如此,液态地幔可能出现在地表,大气圈可能主要为岩石蒸气,顶部盖有温度高达2500K的硅酸盐云(Zahnle,2006),它们形成一团浑浊之气,厚厚地覆盖在地球表层,“轻者上浮,浊者下沉”,形成次生大气。地球表面因冲击而融化形成高温泥状岩浆。随着原始地球逐步增长并达到现在大小规模,陨击次数逐步减少,地球表面温度逐步降低,硅酸盐云可能冷凝,变成热“雨”倾盆而下,大概按照每天1m的速度流动。由于硅酸盐以“雨”的形式排出,气体化合物———特别是CO2、CO、H2O、H2,以及N2、惰性气体和适度的挥发性元素,如Zn和S,将变得越来越多。

图 初生地球的陆块、岩浆海分布

资料来源: http://www.hudsonfla.com/westprehistory.htm

实验表明,进一步的冷却到约1700K时,熔化的硅酸盐开始结晶,大约在1400K时将完全变为固体,地球表层出现薄层固结地壳,而未固结的部分形成低洼的岩浆海(图1)。岩浆海的冷却是个复杂过程,这个过程大概需要两百万年(Zahnle,2006),岩浆不断刻饰着固结的“陆地”,使得低洼地带越来越宽、越来越深,最后这个低洼地带的岩浆海也逐渐冷却固结,并将其中的大部分CO2和H2O排放到大气中,形成原始的大气圈。但它有多厚目前还不知道,不过至少要比现代的大气层厚几百倍(Zahnle,2006)。长时间积累的地表溢出的热量、CO2和H2O等,使得大气层中出现“失控”的温室气体状态,减缓了热量损失的速度ꎮ此时,月球对地球的潮汐也减缓了岩浆海的冷却(Zahnle et al.,2007)。原始的海洋不同于现在的大洋,现在的大洋有大洋岩石圈地幔作为海底,原始海洋的海底就是原始地壳(不分洋壳和陆壳),而且没有岩石圈地幔,也没有板块构造(Hamilton,2013)。

一旦地表冷却到500K,原始大气圈的CO2分压约为100bar,大气温度降低,湿度增加,几乎所有的水分将以酸雨的形式从大气层中排出,凝聚形成雨水,在氤氲蔽日的黑暗天空中,出现现代意义上的倾盆大雨,在低洼地表形成巨大的原始酸性并缺氧的海洋(图1)。最老锆石的氧同位素研究也表明,许多锆石形成于与液态水反应的混合岩浆熔体中(Wilde et al.,2001)。不管水温是273K,还是500K,锆石都是稳定的,表明海洋可能出现于4400Ma以前。

本文摘编自李三忠, 索艳慧, 郭玲莉编著《海底构造原理》第一章,内容有删减。

海底构造原理

李三忠, 索艳慧, 郭玲莉编著

责任编辑:周 杰

北京:科学出版社 2017.09

ISBN 9787030535931

本书以地球系统为理念,以地球结构构造和物质组成的起源为主线,深入浅出地系统介绍了地壳、地幔和地核的基本概念、本质内涵和前沿研究; 从现象到本质, 从过程到机理, 由表及里重点并系统介绍了地球、海水、洋壳、洋幔的成因认识、基本特征、发展与运行规律; 按照认知海底构造的思想起源顺序, 凝练概括了相关学说, 包括大陆漂移学说、海底扩张学说、板块构造学说、地幔柱学说和前板块构造的发展历程、基本内容、基本原理、主要证据。