科学网—地球之水从何来？走进寻找答案的极端机器
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2026-10-3 07:51
| 系统分类: 海外观察
地球的水从何而来？走进寻找答案的极端机器
美国新墨西哥州桑迪亚国家实验室的 Z机器（Z machine）能产生冲击波，模拟地球深处的极端环境。
地球（右）在约 45亿年前形成时，其内部是否截留了水？地球科学家们对此一直争论不休。
新墨西哥州阿尔伯克基报道 —— 位于桑迪亚国家实验室的Z机器是一台极端装置。它的环形电容器组占满了一个约两个篮球场大小的房间。一旦点火放电，会在几十亿分之一秒内释放出超过全球所有发电厂同时发电总和的电脉冲。这道电脉冲会触发冲击波，让位于机器中心的样品承受相当于巨型气态行星内部甚至核爆炸深处的压力。
上月下旬，科罗拉多大学博尔德分校的矿物物理学家艾莉莎 ·克拉克，借用Z机器的威力研究了一个更贴近"家"的对象：地球内部。《自然》杂志随行观摩了她在一项持续多年、旨在理解地球水起源课题中，利用这台机器完成的最后"一炮"。
对 Z机器而言，聚焦地球研究并不常见。这台设备坐落于新墨西哥州阿尔伯克基的柯特兰空军基地，最初是为测试材料而建造——在不实际引爆核弹的前提下，确保美国核武器储备的可靠性。这至今仍是它的主要用途。不过，这台设备每年约有10%的"射击"被留作基础研究。
发射这台机器需要数月的准备，动辄上百人参与。每一次 "射击"要花一整天来搭建，成本约25万美元。因此，行星研究学者获得使用审批的请求少之又少，而用于研究地球的申请更是凤毛麟角。
矿物物理学家艾莉莎 ·克拉克在样品装入Z机器前，检查装有含水玻璃样品的靶件。图片来源：James Dinneen/Nature
但 Z机器对克拉克的研究至关重要。她提出一个与主流学说不同的观点：在地球形成早期的混沌阶段，地球内部熔融的岩石曾把水截留并保存下来。"地球就像一块海绵。"她告诉《自然》。
要验证这个想法，克拉克需要模拟熔融岩石在地球形成时接近地核处的行为 ——这正是Z机器的用武之地。
岩浆海洋
地球科学家认为，大约 45亿年前，刚从宇宙尘埃与气体中凝聚成形的地球，受放射性元素加热、与其他行星碎片碰撞，应处于完全熔融状态。
在这种条件下，一个长期存在的地球起源理论认为：任何在地球内部累积的水分子，要么蒸发、要么被冲击抛入太空而散失。如果这一理论成立，那么今天地表上所有的水，都是在后期地壳冷却后，由携带冰的彗星和小行星 "送达"的；而目前地球内部的水，则是板块俯冲沉入地幔时带下去的。
但还存在另一种可能：早期处于熔融状态的地球，可能保留了部分最初从宇宙尘埃和气体中吸收的水分子。如果真是这样，今天地表大部分的水，可能是经过漫长地质年代，通过火山活动从炽热的地球内部释放出来的；而更大量的水 ——足以填满海洋的水量——可能至今仍储存在地球内部。
这一想法的灵感，来自过去十余年一系列地球物理与地球化学发现：地球内部的水储量，可能远超板块构造单独所能输送的量。例如 2014年，科学家分析了一颗来自地球地幔深处的钻石，发现其中一种矿物杂质，其晶体结构内竟溶解有惊人含量的水。
但研究人员始终难以解释：如此多的水，是如何被截留在熔融状态的地球内部的？克拉克在 Z机器上的工作，正是从科学家们正在考虑的诸多假说中，提出其中一种可能的解释。
她一直在用这台机器测试：在极端压力下，水的存在如何影响熔融玻璃（作为熔融硅酸盐岩石的替代物）的可压缩性。具体做法是，让冲击波穿过注水玻璃样品，在瞬间重现地球中心附近的条件。
在此前完成的实验中，她发现：注入大量水的玻璃会变得更 "硬"，但随着压力升高，它反而变得更容易被压缩。"你越挤压它，它反而变得越柔软，这不是正常的物理行为。"她说。她认为，这可能意味着：在地幔内部的压力条件下，熔融岩石具有很强的"锁水"能力，这为地球在"岩浆海洋"熔融阶段仍然能保住水分提供了一条可能的路径。
技术人员在 Z机器中心设置装有克拉克玻璃样品的靶件，准备点火。图片来源：James Dinneen/Nature
相关补充信息：
地球上的水来自何方？
目前主流观点：地球的水是「内源（地球自身） + 外源（太阳系天体输送）」共同贡献，二者占比还在持续争论，不是单一来源。
一、内源：地球形成时自带（最核心来源之一）
46 亿年前，太阳系诞生，原始地球由大量星子（岩石尘埃碎块）吸积而成。
很多星子含有含水矿物（比如蛇纹石、黏土），水以结晶水形式锁在岩石里面。
地球吸积、不断撞击，内部升温，岩石里的水被释放出来，通过火山喷发（脱气作用），以水蒸气形式进入原始大气；
随着地球冷却，水蒸气凝结成雨水，持续下了数百万年，汇聚形成原始海洋。
> 内源水：来自组成地球本身的岩石物质。
二、外源：后期小天体 “送货”补充
原始地球形成早期有剧烈撞击，巨大撞击（如形成月球的大碰撞）曾把大量水汽吹到太空，会损失一部分水。后续有天体持续送水：
1. 碳质球粒陨石：含水很高（可达质量的 20% ），成分氢同位素和地球海水高度匹配，是重要候选。
2. 彗星：冰质天体。早年认为彗星是主要水源；但后来测多颗彗星的氢同位素，大部分和海水不匹配，说明彗星贡献占比不高，只占一小部分。
> 简单总结外源：小行星（碳质球粒陨石）贡献远大于彗星。
三、近年新认识
1. 氢同位素（ D/H 比值）是判断水来源最关键“指纹”。地球海水 D/H 和碳质球粒陨石接近，和多数彗星差异大。
2. 有研究认为：大部分水在地球吸积阶段就已经存在（内源），后期陨石只是补充，不是主力；但也有学派坚持外源贡献很大，尚无最终定论。
3. 还有一个途径：太阳风。太阳风里的氢粒子撞击月球 / 小行星表面含氧矿物，生成微量水。但这个途径对地球总水量贡献很小。
一句话精简
地球大部分水，是构成地球的原始岩石星子里面封存的结晶水，经火山脱气释放；后期碳质球粒陨石等小行星持续撞击，额外输送一部分水；彗星贡献很少。
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