含水礦物揭示出地幔能容納比所有海洋總和還多的水，那這些水從何而來？美國西北大學的保險箱裡放著幾百顆從巴西泥土中挖出來跟卵石大小一般的鑽石。對一些人來說，這些石頭可能毫無價值。西北大學礦物學家史蒂夫·傑克布森說：它們像是被扔進洗衣機遭受過重創一樣，顏色大多是深色或黃色，與珠寶商夢寐以求的原始寶石相差甚遠。然而對於像傑克布森這樣的研究人員來說，這些被鎖在鑽石內部的晶體碳碎片相當珍貴，其中的礦物微粒形成於地下數百公里的地幔深處。
博科園-科學科普：其中一些礦物微粒甚至難以被顯微鏡觀測到，與此同時它們也給研究人員提供了勘探地球內部的機會。2014年研究人員觀測到這些礦物質中含有某種不起眼的物質——水，但由於水出現的地點尤為特殊，這讓研究變得十分有趣。礦物質檢測出的水並不是真實水滴，甚至不是H20分子，但它含有氫和氧原子並且嵌在礦物本身的晶體結構中。這種含水礦物質並不潮溼，但當它融化時會溢出水。這一發現第一次直接證明了上下地幔的過渡區(地下410km-660km)存在含水礦物。
圖片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
從那時起，科學家們發現了更多讓人興奮的證據。今年3月，一個研究小組宣稱他們從地幔中發現了鑽石，並且這些鑽石內部有水存在；他們通過地震數據還繪製了地球內部大部分地區的親水礦物分佈圖。現在一些科學家認為，地球深處潛伏著一個巨大水庫。如果把地球上所有地表水看作是一個海洋，那麼地下將會有好幾個這樣的海洋存在，這將改變科學家對地球內部的認知，但新問題也接踵而至：水從何而來？
1、水世界
沒有水，地球上的生命將不復存在，這個充滿活力、有生命的星球也不會存在。水在板塊構造中起著至關重要的作用，誘發火山噴發，並幫助部分上地幔更自由地流動。儘管如此，大部分地幔還相對乾燥。上地幔主要由尖晶橄欖石構成，這種礦物不能儲存很多水。但在410公里以下的過渡區，高溫和高壓將橄欖石擠壓成一種被稱為wadsleyite的新晶體結構。
這顆來自巴西Juina的鑽石最初在地球深處形成。它內部存有一種含有水礦物——菱鎂石。圖片版權：University of Alberta
1987年科羅拉多大學礦物學家喬·史密斯意識到wadsleyite晶體結構會受到縫隙影響，這些空隙為氫原子與氧原子結合提供了良好條件。史密斯發現，Wadsleyite可以潛在地攫取大量氫氣，將其轉化成一種含水礦物質，在融化時就會產生水。對於像史密斯這樣的科學家來說，氫氣就意味著水分子。在過渡帶更深處，wadsleyite會變成尖晶橄欖石，在實驗室裡，傑克布森(上世紀90年代他是史密斯的研究生)通過擠壓和加熱尖晶橄欖石碎片來模擬過渡區的極端條件。
研究人員對wadsleyite和尖晶橄欖石兩者進行了類比實驗，結果發現在過渡區，這些礦物質中的水含量可以達到自身重量的1%到3%。考慮到過渡帶大約有250公里厚，約佔地球質量7%(地殼只佔1%)，因此它可能蘊含數倍於地球海洋水量。然而，這些實驗只能測量出地幔容納水量。俄亥俄州立大學地球物理學家溫迪·帕內羅說：這不是測量海綿含水量的實驗，而是在測量海綿能容納多少水。實驗結果也不一定真實可靠，因為研究人員目前只能在人工培育的尖晶橄欖石上進行實驗。直到2014年，除了在一些隕石中存有尖晶橄欖石外，還沒有人在自然界中見到過尖晶橄欖石
圖片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
2、誘人的線索
當球迷們聚集在巴西觀看2014年世界盃時，一小群地質學家前往巴西利亞以西約2000公里的城市胡尼納周圍的農田中尋找從當地河流淘來的鑽石。由於鑽石在高溫高壓下形成，所以可能攜帶著少量礦物。由於鑽石十分堅硬，當它們被火山噴發到地表時，內部的地幔礦物被很好地保存了下來。研究人員購買了1000多顆斑點最多、富含礦物質的晶體。其中一名科學家格雷厄姆·皮爾森將數百顆鑽石帶回了他在阿爾伯塔大學的實驗室。
研究發現它不僅是含水的尖晶橄欖石，而且含水量約為1%。新墨西哥大學地震學家布蘭登·施曼特說：就可信度而言，這是一個重要發現，科學家們首次獲得了過渡帶水化樣本，那麼認為過渡帶的其他部分也有水合物的想法絕不瘋狂。如果認為一個晶體代表了整個過渡區的平均值，那這就有點瘋狂了。畢竟鑽石只有在特定條件下才能形成，而這個樣本可能來自於含水多的地區。
艾伯塔大學地球化學家格雷厄姆·皮爾森領導團隊從地幔中發現了含水礦物。圖片版權：Natasha Barrett
為了瞭解水合尖晶橄欖石的分佈情況，施曼特和傑克布森等人一起用地震波繪製了一份地圖。由於對流作用，水合尖晶橄欖石會下沉，當它下降到過渡區以下區域時，上升壓力會將水擠出，導致礦物融化。在地幔物質下降的過渡帶下方，這些熔融礦物會讓地震波突然減速。通過測量北美地區的地震波速度，研究人員發現，在過渡帶之下，這樣的水池確實很常見。在歐洲阿爾卑斯山下測量地震波的研究也發現了類似例子。
今年3月，由拉斯維加斯內華達大學礦物學家奧利弗·茨亨納領導的研究小組發現了含有實際水冰碎片的鑽石，這是研究人員首次從地幔中觀測到自由存在的水分子。這些樣品可能更有利地說明了形成鑽石的條件十分潮溼，而無法說明水普遍存在於儲層。這種水被稱為ice-VII高壓水，南非和中國的許多地方都有它出現，因此它分佈可能相對廣泛。卡內基科學研究所地質學家史蒂文·施萊伊 說：幾年後會發現ice-VII更加普遍，它也將告訴我們它和尖晶橄欖石有著相同經歷。但如果真是這樣，地幔裡充滿了水，那水是如何到達地幔的呢？
3、水的起源
根據標準說法，地球的水資源來自於外太空。地球周圍的太陽形成區域太熱以至於水等揮發性化合物無法凝結；因此新生的地球開始變得乾燥，直到來自遙遠太陽系富含水分的天體撞擊地球並將水輸送到地表時，地球才開始變得溼潤。撞擊地球的大部分天體可能不是彗星，而是被稱為碳質球粒隕石的小行星，它攜帶了自身20%重量的水，儲存在氫狀的尖晶橄欖石中，但是如果在過渡區有大量水資源，水起源說法將不得不改變。
西北大學礦物學家史蒂夫·傑克布森認為地幔可以比地球海洋容納更多的水，圖片：J.R. Smyth
如果過渡帶能將其重量1%儲存在水中(適度估計)，它將能容納兩倍的地球海水資源。雖然下地幔更為乾燥，但體積也更大，並且可能會發展成容納世界上所有海洋的地區。雖然地殼中也有水存在，但以目前的速度，俯衝吸收這麼多地表水，所需時間恐怕比地球的年齡還長。如果是這樣，至少地球內部的一些水一直都在地幔。儘管早期的太陽系中的熱量很高，但水分子可能會粘在塵埃顆粒上，從而形成地球。然而地幔中的總水量高度是一個不確定的數字，在低處的地幔含水量只有世界海洋的一半。
在高端，地幔可以容納兩到三倍多的海洋水，如果可以容納更多的水，年輕地球的額外熱量會使地幔變得過於潮溼鬆軟，從而大陸板塊就不會斷裂，而今天的板塊構造可能永遠不會開始。耶魯大學的地球物理學家Jun Korenaga說：如果地表有很多水，無疑是個好結果，如果地幔中有一堆水，那恐怕就很糟糕了。另外下地幔也仍有謎題未解，在那裡極端的壓力使尖晶橄欖石變成了根本不能容納水的硅鈣石。然而，最近的研究表明那裡存在新含水礦物——D期和h期，這些礦物究竟是什麼樣，能儲存多少水量，仍是一大難題。
因為這是一個非常開放的問題，地幔的水含量仍有待討論。測量地球內部蓄水並不容易，有希望的方法是測量地幔的導電性，但是這項技術還沒有像地震波那樣先進。雖然地震波提供了地球內部視野，但圖片並不總是很清晰。由於這些信號很微妙，所以研究人員需要更精確的數據和更真實的地幔物質來了解地球內部儲水情況，而不僅僅憑藉尖晶橄欖石和wadsleyite來下結論。過渡區60%都是尖晶橄欖石和wadsleyite，其餘的是其他礦物質和化合物的複雜混合物。
尋找更多富含含水礦物質的鑽石對研究也會有所幫助。在傑克布森的實驗室裡，這項工作落到了研究生米歇爾·溫茨的肩上。她在阿貢國家實驗室使用強大的X射線來繪製每一個礦物斑點的位置，其中幾顆可能有六個礦物斑點。為了識別礦物質，將X射線照射到每個位置點上，並測量射線是如何散落其晶體結構。實驗室裡的數百顆鑽石全部來自巴西，她檢驗了大約60次，沒有發現水存在。不管有沒有水，這些來自深海的鑽石仍然令人驚歎，它們每一個都是獨一無二的，就像雪花一樣美麗別緻。
博科園-科學科普｜文：Marcus Woo/Quanta magazine/Quanta Newsletter
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