平海鸥鸣，求知 好奇心 Valar Dohaeris！ 阅读原文 诚然，这个问题还没有确定的答案，但我试着从地质证据来看液态海洋可能的存在时间是什么？大洋的水从哪里来？那个时间段的特殊的环境是什么样的？这几个问题出发，去讨论从探讨海洋是什么时候形成的和可能的形成机制。这些尽可能的帮助我们理解海洋是如何形成的。 首先，我们先讨论液态海洋可能的存在时间。如果想知道液态海洋可能的存在时间是什么？那么就要知道最初的水是什么时候形成的，如何形成的。而如果想知道水是怎么来的，那必然要去讨论地球是怎么形成的，或者说在地球形成过程中，水是如何产生的。 1. 地球的形成 从早期假说开始，地球的形成就是和太阳系的形成联系在一起的，这就是“星云说”。 在太阳系形成的过程中，外围物质先是聚成石质和冰质的尘埃颗粒，再由颗粒作为凝聚核的物质团块相互碰撞和黏合，形成若干千米大小的星子（planetesimals），星子再碰撞结合为月球或者火星大小的星胚（planetary embryos），最终形成地球一类的内行星。远离太阳的星胚主要由各种冰质颗粒构成，因此可以形成引力强大的原行星，吸引氢、氦等元素；而太阳在形成过程中又将氢、氦“吹”向远处，集合在这类星胚周围形成巨大的外行星。行星的发育过程很快，太阳系形成以后 10 万年就产生了星胚，1000 万年后就形成了地球的雏形，相当于现在地球质量的 64%（图 1 Jacobson，2003；Stevenson，2008）。 图 1 地球形成的过程 据估算，太古宙早期太阳光度（Solar luminosity）比现在低 25%，如果地球上的大气成分与今相似，23 亿年前地球上的海水都应当在冰点之下。但是地质记录表明，三四十亿年前就有沉积岩、就有微生物，这就是天文学家提出的“早期太阳黯淡悖论（Faint young Sun paradox）”（Sagan and Mullen，1972）。当时地球上的海水不但并未冻结，而且还能让生物演化发展，原因在于地球表层系统的特殊条件：可能因古太古代时丰富的温室气体产生强烈的温室效应；也可能由于海水盐度较高、冰点偏低；又可能因为大气里缺乏生物成因的云凝结核，因而对太阳辐射的反射率较低（Rosing et al.，2010）。何况早期地球低纬地区的海水，即使在温室气体较低的条件下，也不至于冰封。 第二，从另一个角度来看，由于洋壳的不断更换，使得大洋形成的时间难以考证，但是最早的沉积岩是在格陵兰，测年为 38.6 亿年（Moorbath，2009）。更早的记录只见于锆石，上述西澳杰克山（Jack Hills）的锆石年龄为 44 亿年，其中氧同位素δ18O 为 7.4‰。 因为地幔的δ18O 是 5.3‰，风化或低温过程产物的δ18O 为 10‰，处在两者之间的中间值 7.4‰，说明这锆石是地幔物质和地面水相互作用的产物，从而间接证明 44 亿年前可能已经有海洋存在，至少是局部区域极有可能存在液态水（Pinti，2005）。 但不管怎么说，从地质证据来看，至少四十四亿年前应该就有液态海洋的存在了。那么，地球一共有 46 亿年的历史，存在水的上限时间是什么呢？ 2. 地球早期的岩浆海 如果要探讨存在水的上限时间，那么必然要涉及到地球形成早期的岩浆海时期。 就先从现今的太阳系来看，从太阳向外分布着十多万个小行星，形成“小行星带”。推测这些约 1 km 大小的小行星，就是当初未能参加行星建造，散落在外的剩余星子。在地球形成的初期小行星只能比这多，而且运行轨道不一，这就使得小的碎片或陨石撞上地球就是个必然事件。现在综合更多天文学资料我们知道，太阳系形成早期在频繁的撞击下，从星子到行星早期都会发育岩浆海，成长中的地球当然不能例外（Elkins-Tanton，2012）。只是当初的岩浆海，现在的地球上已经难有踪迹，不过也有人主张：地幔底里的 D" 层，有可能就是当年岩浆海的残迹（Labrosse et al.，2007）。 现在认为， 岩浆海时期，地表高温是主要特征，并且其地球状态极不稳定（那个内部啊，还时不时有小星星撞击的），这个时期之后才有可能出现我们现在意义上的液态水或者海洋。 我们当然还有一个思路去探求海洋形成的时间和其形成大致环境。那就是这个盛海水的固体盆如何形成，什么时间形成的。追溯大陆地壳的起源，因为地球形成早期的地质记录极为零星，而且地质历史时期的各种构造活动可以完全抹掉最初大陆的大部分甚至全部地质记录，幸亏有我们的小强同学 - 锆石坚强地保住了历史的真面目。它只能在花岗岩或者长英质火成岩里形成，属于大陆型酸性岩浆活动的产物，但是在风化搬运中十分稳定，是一种能可靠指示物源的重矿物。因此，作为碎屑矿物的锆石，有可能保留着最早大陆地壳的证据。果然，30 年前在澳大利亚西北部发现了 44 亿年前的锆石（Wilde et al.，2001）。锆石几乎都出自大陆地壳的花岗岩，现在母岩虽然已经消失，而锆石的发现却揭示了大陆的起源，说明地球上岩浆海形成后不出一亿年，就已经形成了大陆地壳（Valley et al.，2014）。 现在大陆地壳覆盖地球表面的 40%，平均年龄高达 22 亿年，一半以上在太古宙结束之前就已经形成，显然不能用当代岛弧增生的模式解释其成因。同时，这也是板块构造所不能解释的，所以才有学者提出前板块构造机制相对其加以解释和说明。 但是无论如何大陆地壳的形成标志着地球表面已经降温，可以允许低沸点（相对啊）的液态水在地表赋存了。 总之，从地质角度资料分析，液态水应该是在地球形成后很早的时期已经开始存在了（应该是从岩浆海结束 -44 亿年之前的时间内）。 3. 水圈与大气圈的形成 大洋的水从哪里来？答案牵涉到地球起源的“材料”：如果撞击聚集形成地球的星子星胎里面含水，地球起源就是“湿”的，那么水圈的水就是来自地球本身；如果地球起源是“干”的，星子星胎并不含水，就需要从外面来水，最可能的就是由彗星带来。 可以用水的同位素，氘和氢的比值（D/H）来检验两种观点。结果发现地球上水的 D/H 接近陨石，与彗星显然迥异，从而排除了外来水为主的假说。现在认识到地球起源是“湿”的，氢和水分随着增生的颗粒并入地球。考虑到后来大碰撞等种种过程，当初地球的水分应当比现在丰富得多 （Drake，2005）。地球从增生开始到地核分异和深部脱气，此段时期里有大量的星体撞击，有大量的碳质球粒陨石带来水分。 然而这里说的是水的来源，至于液态水如何在地球表面汇聚成为海洋，又要从大气说起。 和其他内行星一样，地球增生时候的大气成分主要是氢、氦和氧，岩浆海时期的熔融状态，驱散了这类挥发元素。当时地表温度极高，地球表面的硅酸盐也蒸发成为气体。其后的 200 万年间，地球表面是熔融地幔横流的岩浆海；随后的冷却，硅酸盐在几千年里迅速凝固（Sleep et al.，2001），留下 CO2-H2O 的浓厚大气，很像今天的金星。大气圈里有高达 100 bar ①的 CO2；之后 CO2 逐渐被地幔吸收，出现液态水，地面温度也从最初的 1700 K 急剧下降（Zahnle et al.，2007）。当地表温度继续下降，地球表面形成一层玄武岩将大气和地球内部隔开后，大气温度就会急剧下降，水分迅速凝结，推测会发生一个“超级洪水（universal deluge）”期，接连下了几百年的暴雨，雨量比现在的热带还高出将近十倍（Abe，1993）。这段状态持续的时间在地质学上称为“冥古宙 （Hadean）”，包括从地球产生到 40 亿年前共 5 亿年的时间（Nisbet，1991）。 专有名词说明： 冥古宙的名称取自希腊神话里地狱之神、冥王哈迪斯（Haides），专指岩石的地质记录出现前的“史前”时期，也象征当时的地球表面，上有祸从天降、下有岩浆翻滚的恶劣环境，很难有生命能够生存于这种水深火热的苦海之中。有待地球表层稳定和降温之后，才会出现生命起源和万物争妍的环境。（以上仅是从部分现有地质证据方面的分析，希望有小伙伴可以从生物方面加以论述） 之前有人说，地球现今内部（地幔）的水比地表的还多。但要明确一点，地球内部的水是在高温高压的环境下形成的。请看下图。地球的越往下，温度越高，压力也越高啊，导致物质的状态由温压决定。 那么在地幔深度的水（所谓的水）赋存的状态只能是以分子结构形式进行存在（可以理解为一种结构水），不是我们普通意义上的液体状态。 另外，参考文献中的一些 nature 和 science 文章很值得阅读，比较有启发性，当然有的脑洞更大。。。 References Alpher R A, Bethe H, Gamow G. 1948. The origin of chemical elements. Journal of Washington Academy of Sciences, 38(8): 288. Anbar A D. 2008. Elements and evolution. Science, 322(5907): 1481–1483. Anbar A D, Knoll A H. 2002. Proterozoic ocean chemistry and evolution: a bioinorganic bridge? Science, 297(5584): 1137–1142. Ban field J F, Marshall C R. 2000. Genomics and the Geosciences. Science, 287(5453): 605–606. Bell E A, Patrick B, T Mark H, et al. 2015. Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year old zircon. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(47): 14518–14521. Brasier M D, Jephcoat A P, Kleppe A K, et al. 2002. Questioning the evidence for Earth’s oldest fossils. Nature, 416(6876): 76–81. Brasier M, Green O, Lindsay J, et al. 2004. Earth’s oldest (approximately 3.5 Ga) fossils and the ‘Early Eden hypothesis’: questioning the evidence. Origins of Life & Evolution of the Biosphere, 34(1–2): 257–269. Brocks J J, Logan G A, Buick R, et al. 1999. Archean molecular fossils and the early rise of eukaryotes. Science, 285(5430): 1033–1036. Buffett B A. 2000. Earth’s core and the geodynamo. Science, 288(5473): 2007. Canfield D E. 1998. A new model for Proterozoic ocean chemistry. Nature, 396(6710): 450–453. Canfield D E. 2005. The early history of atmospheric oxygen: Homage to Robert M. Garrels. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 33: 1–36. Catling D C, Zahnle K J. 2009. The Planetary Air Leak. Scientific American, 300(5): 36–43. Cavanaugh C M, Gardiner S L, Jones M L, et al. 1981. Prokaryotic cells in the hydrothermal vent tube worm Riftia pachyptila Jones: Possible chemoautotrophic symbionts. Science, 213(4505): 340–342. Ciesla F J, Sandford S A. 2012. Organic Synthesis via Irradiation and Warming of Ice Grains in the Solar Nebula. Science, 336(6080): 452–454. CPEP (Contemporary Physics Education Project). 2003. Chapter 10, Origin of the Elements. In: Nuclear Science—Guide to Nuclear Science Wall Chart (3rd edition). Berkeley, California: Lawrence Berkeley National Laboratory. Drake M J. 2000. Accretion and primary differentiation of the Earth: A personal journey. Geochimica et Cosmochimica Acta, 64(14): 2363–2369. Drake M J. 2005. Origin of water in the terrestrial planets. Meteoritics & Planetary Science, 40(4): 519–527. Elkinstanton L T. 2012. Magma Oceans in the Inner Solar System. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 40(40): 113–139. Falkowski P G, Isozaki Y. 2008. The story of O2. Science, 322(5901): 540–542. Farquhar J, Bao H, Thiemens M. 2000. Atmospheric influence of Earth’s earliest sulfur cycle. Science, 289(5480): 756–758. 地球系统与演变 汪品先 田 军 黄恩清 马文涛 著 2018 阅读原文
