地球的水从哪里来？答案可能在于这两种新发现的化合物

“地球的水从哪里来？”是一个由来已久的谜题。解决这个难题对于理解生命是如何出现的以及地球内部的动力学是如何随时间演变的非常重要。

日前，南开大学物理科学学院东晓副教授李汉飞博士及其合作者发现了两种新的水合硅酸镁(Mg2SiO5H2)结构，可作为早期地球水的储存介质。地核和地幔分离后，会释放出大量的水。这为早期地球上海洋的起源提供了新的思路。相关论文于1月21日发表于《物理学报》《物理评论快报》。

关于水的起源有两种观点。

目前关于水的起源有两种观点：一种是“地狱起源说”，认为水来自地球深处，即地球在吸积期获得大量的水，并储存在地球内部；第二个是《天道起源》，认为地球形成后，富水陨石的轰击提供了大量的水。

最近，越来越多的证据支持第一个假设。氘氢比被认为是水起源的指纹。一项发现表明，地球深部地幔的氘氢比非常低，接近早期地球、顽火辉石球粒陨石和原始太阳星云的基本成分，远低于彗星等太阳系外围物质。这为地球内部的水可能直接来自原太阳星云的观点提供了有力的证据。

东晓解释说：“氘氢比被认为是水起源的标志。随着太阳的“点火”和随后的太阳风，太阳系外围的氘氢比与原始太阳星云不同。地球的氘氢比与原始太阳星云相同，但与外围的氘氢比不同，这成为地球水不是‘悄悄话’的有力证据。”

然而，这个假设有相当大的问题。与铁和硅酸盐等其他行星物质相比，水的熔点和沸点要低得多，所以在地球表面数千度的高温下，水会被蒸发到太空中。由此可见，水只能存在于新生地球的内部深处，在新生地球进化到一定程度时才会释放出来。然而，这一过程中的材料储存形式仍不清楚。

发现了一种稳定的含水新矿物。

东晓长期从事极端条件下新型物质的设计和物理性质预测的研究。通过第一性原理计算和结构预测方法，发现在百万个大气压的条件下，出现了两种新的、未被发现的稳定水合硅酸镁结构，它们被命名为相和相。其中，相的稳定压力范围为262—338 GPA，相的稳定压力范围在338 GPA以上。现在，地核和地幔边界的压力是136千兆帕，地球中心的压力是364千兆帕。相和相结构的主要区别在于镁离子周围存在不同的氧原子。

第一性原理计算表明，水合硅酸镁在300千兆帕的压力下具有非常高的密度和极高的含水量。它含有11.4重量%的水，高于大多数其他报道的氢氧化物矿物质的水含量。

“理论计算表明，这种水合硅酸镁的耐热性比其他水合矿物好得多，即使在8000开尔文时，也没有分解或熔化的迹象。”东晓说。

在早期的地球内部，由于地核地幔尚未分离，硅酸盐和过量的氧化镁可能深入地球内部，从而承受比今天高得多的压力。例如，如果压力高于262千兆帕，它可以以水合硅酸镁的形式储存水。

计算表明，在理想条件下，早期地球可以以水合硅酸镁的形式储存多达8倍的当前海水。

随着地核和地幔的分离，铁芯逐渐生长，使硅酸盐升高，压力降低，迫使水合硅酸镁分解释放水分。释放的水通过复杂的地球物理和化学过程到达地表。这时，该“水合硅酸镁的发现对人类认识其他类地行星，特别是超地球物质循环也具有重要意义。”东晓说，这项研究填补了几百千兆帕压力下水合硅酸盐体系中物质存在形式的空白，开辟了早期地球水和轻元素循环的新视角，加深了人们对核幔分离过程中物质存在和循环的认识。

东晓的文章引起了许多研究者的兴趣。法国天文学家特里斯坦吉约特(Tristan Guillot)评价其为具有潜在应用价值的创新，而瑞士行星科学家拉维特赫勒德(Ravit Helled)则评论称，“水的起源是与我们星球形成相关的重要公开问题之一，我们仍然不确定地球深处有多少水；如果像东晓和他的合作者预测的那样，地球的核区域可以在早期地球中充当水的载体，那么在其他类地行星中也会有类似的水储存过程，这将影响它们的进化”。