超高压硅酸镁作为早期地球的水库 - 神秘的地球科学|自然|地理|探索

（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：我们星球上的水的起源是一个热门问题。水对板块构造、气候、地球上生命的起源以及其他类地行星的潜在可居住性有着巨大的影响。根据最近发表在《物理评论快报》的一项研究，一位俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究所(Skoltech)教授和中国研究人员提出了一种化合物可能在“暴力”时代保存了地下深处的水，当时大规模的碰撞肯定蒸发了地球的表面水。由于其重要性和独创性，这篇论文被作为“编辑建议”，在《物理学》杂志上重点介绍。

除了是我们所知的生命起源的所有重要物质外，地表水对于长期稳定一个星球的气候非常重要，使进化得以发生。即使是地表下深处的少量水，也被认为会极大地增加岩石的可塑性，这对板块构造是至关重要的--这是一个塑造大陆和海洋的过程，并推动地震和火山活动。但是，尽管它对像我们这样的岩石行星的进化具有巨大的重要性，我们不知道地球上的水起源于哪里。

“一些科学家认为我们的水是由彗星带来的，但是这个来源似乎非常有限--彗星中的水的同位素组成与地球上的水有很大的不同，”共同撰写该研究报告的Skoltech的Artem R. Oganov教授说。

如果水不是来自彗星等天体，它一定是来自下面，来自地幔深处，甚至是地核。但是，它怎么能在地球历史上最初的3000万年左右的剧烈运动中存活下来呢？当时地球非常热，被小行星不停地轰击，甚至与一颗火星大小的行星发生了灾难性的碰撞。这些过程肯定蒸发了地球的一部分，而剩下的东西至少在几百公里以下是熔化的，除去了水。直到现在，科学家们还不知道有一种稳定的化合物能够在行星的内部锁住氢和氧原子足够长的时间，然后将它们作为水释放出来。

Oganov与中国南开大学科学家领导的一个研究小组合作，他们一起使用Oganov的晶体结构预测方法USPEX，发现了一种符合要求的化合物：含水硅酸镁，按重量计算，它含有超过11%的水，在超过200万个大气压和极高温度下稳定。这样的压力存在于地核。但是每个人都知道地核是一个金属球--主要是铁--所以构成含水硅酸镁的元素在那里根本不存在，对吗？

“错了。当时并没有地核。在其存在之初，地球具有或多或少的均匀成分，从地球形成时起，铁大约花了3000万年的时间渗入其中心，将硅酸盐推到我们现在称之为地幔的地方，”Oganov解释说。

这意味着在3000万年的时间里，地球上的部分水以含水硅酸盐的形式安全地储存在今天的核心深处。在那段时间里，地球经受住了小行星轰击的最严重阶段。当地核形成时，含水硅酸盐已被推入低压区，在那里它们变得不稳定并被分解。这产生了构成今天地幔的氧化镁和硅酸镁，以及水，后者开始了长达1亿年的地表之旅。

Oganov补充说：“与此同时，地球被小行星甚至原行星撞击，但水是安全的，因为它还没有到达地表。”

研究人员说，他们的研究表明人类的直觉有时是多么的错误。没有人想到核心压力下的硅酸盐，因为据说在那里找不到组成的原子。即使如此，人们也不会想到含水硅酸盐在核心条件下是稳定的，因为人们认为极端的温度和压力会把水从矿物中“挤出来”。然而，基于量子力学的精确建模证明了这一点。

这位材料科学家继续说：“这也是一个关于一种在行星时间尺度上短暂存在的材料如何对地球的演变产生巨大影响的故事。这与通常的地质学思维方式背道而驰。这与通常的地质学思维方式背道而驰，但仔细想想，一个进化论生物学家，对他来说，我们今天看到的许多东西都是从现已灭绝的物种中进化出来的，他们很难感到惊讶，不是吗？”

关于地球水起源的新假说对其他天体也有影响。Oganov说：“例如，火星太小，无法产生稳定含水硅酸镁所需的压力。这解释了为什么它如此干燥，并意味着无论火星上存在什么水，它都可能来自彗星。”

或者，考虑我们太阳系以外的行星。“为了适合居住，一个系外行星必须有一个稳定的气候，这需要有大陆和海洋。所以必须有水，但不能太多，”其他研究人员补充说。“有一个估计，对于任何大小的类地行星来说，它都应该有不超过0.2%的水（按重量计算），才是适合居住的。我们的结果意味着，对于被称为‘超级地球’的大型类地行星来说，情况可能有所不同：在这类行星中，稳定硅酸镁的压力甚至必须存在于核心之外，无限期地锁住大量的水。因此，‘超级地球’可以有大得多的水含量，并且仍然支持暴露的大陆的存在。”

研究人员认为，这甚至对一个星球的磁层也有影响。“在超过2000摄氏度的温度下，含水硅酸镁会导电，氢质子作为电荷载体。这意味着我们的含水硅酸盐将有助于超级地球的磁场，”Oganov解释说，并补充说新假设的结果清单不胜枚举。

相关报道：南开大学科研人员为地球水起源提供新思路

（神秘的地球uux.cn报道）据南开新闻网讯（记者乔仁铭）：“地球的水从何而来”是一个由来已久的谜，这对于理解生命是如何出现以及地球内部动力学是如何随时间演化至关重要。

日前，南开大学物理科学学院李含飞博士、董校副教授及其合作者对这个重要科学问题给出了新的思路。相关论文“Ultrahigh-Pressure Magnesium Hydrosilicates as Reservoirs of Water in Early Earth”1月21日发表在物理学顶尖期刊《Physical Review Letters》（《物理评论快报》）上，并被列为编辑精选（Editor’s Suggestion）。物理成果报道杂志《Physics》特邀为其撰写专题文章。

目前，关于水的起源有两个争议的观点：一是“地狱起源说”：水来自于地球深处，即地球在吸积期获得了大量的水，并储藏与地球内部；二是“天堂起源说”：在地球形成后，富水陨石轰炸提供了大量的水。

最近，越来越多的证据支持第一种假设。氘/氢（D/H）比被认为是水起源的指纹，提供了一个有力的证据：地球深部地幔的D/H比很低，接近于早期地球的基本组件顽辉石球粒陨石和原始太阳星云，远低于彗星等太阳系外围物质。这给地球内部的水可能直接来自原太阳星云提供了有力证据。

然而，这一假说存在相当大的问题。与其他行星材料如铁、硅酸盐相比，水的熔点和沸点要低得多，因此在新生地球的数千度的炙热表面，水会被蒸发到太空中。由此可见，水只能存在于在地球新生吸积期储存于地球内部深处，同时在新生地球演化到一定程度时将水释放出来。然而这一过程中的物质存储形式却尚不明确。

董校副教授长期从事极端条件下水合物的设计以及物性预测的研究，通过第一性原理计算和结构预测方法，发现两种新的水合硅酸镁相在数百万大气压稳定。其中，α‑Mg2SiO5H2稳定在262–338 GPa，β‑Mg2SiO5H2 338 GPa 以上稳定（对比如今核幔分界处的压力为136 GPa，地球中心的压力为360 GPa）。两者结构上的区别为β‑Mg2SiO5H2拥有首次预言的镁离子9配位形式。进一步研究发现，两者在高温下都具有准一维质子扩散的超离子导体形式。

第一性原理计算表明，在300 GPa，α‑Mg2SiO5H2和β‑Mg2SiO5H2有非常高的密度和极高的含水量。其中Mg2SiO5H2含有11.4 wt %的水，只略微少于δ‑AlO2H和H相（MgSiO4H2）中约15wt %的含水量，高于大多数其他报道的水合硅酸盐和氢氧化物的含水量。分子动力学计算预测，Mg2SiO5H2 耐热性远好于其他含水矿物，在高达8000K的温度下，也没有融化的迹象。

在早期地球内部，因为核幔尚未分离，硅酸盐和过量的氧化镁可能深入到地球内部深处，从而承受远比现今更高的压力，比如高于262 GPa，而此时则可以以Mg2SiO5H2 的形式储存水分。

计算表明，理想状态下早期地球内部以Mg2SiO5H2 的形式可以储存8倍现今海洋质量的水。而后随着核幔分离的进行，铁质核区逐渐长大，从而将硅酸盐抬高并降低其所受压力，从而迫使Mg2SiO5H2分解释放水分。而释放出的水分通过复杂的地球物理和化学过程返回地表，而此时，地表已经足够冷却能够保证液态水的存在，形成原始海洋。而Mg2SiO5H2的分解产物，MgSiO3和MgO，它们仍然在下地幔发挥着重要作用。同时Mg2SiO5H2的发现对于人类认识其它类地行星，尤其是超级地球中的物质循环也具有重要意义。

综上所述，该项工作填补了含水硅酸盐体系在数百GPa压力下物质存在形式的空白，开拓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过程的理解。

在同一期《Physical Review Letters》中，南京大学的孙建教授发表了一个相关的体系H-Si-O并着重阐述了该体系中新发现的化合物在天王星、海王星等冰行星中的影响。《Physics》特邀为这两篇工作撰写了专题评论文章 “Mineral Candidates for Planet Interiors”，其中法国天文学家Tristan Guillot评价“两篇工作都是有重大潜在应用价值的创新工作”。

《Physical Review Letters》是美国物理学会(American Physical Society)于1958年创办的物理学综合性期刊，属于物理学顶级刊物，主要发表重要的物理研究成果。《Physics》为美国物理学会创办的科学报道期刊，主要针对最新的重要科研成果进行报道，前身为《Physical Review Focus》，在学界具有很大影响力。

该工作得到了国家自然科学基金、天津市自然科学基金、广州超算中心、南开大学超算中心及其他相关基金资助或支持。