含水矿物揭示出地幔能容纳比所有海洋总和还多的水，那这些水从何而来？美国西北大学的保险箱里放着几百颗从巴西泥土中挖出来跟卵石大小一般的钻石。对一些人来说，这些石头可能毫无价值。西北大学矿物学家史蒂夫·杰克布森说：它们像是被扔进洗衣机遭受过重创一样，颜色大多是深色或黄色，与珠宝商梦寐以求的原始宝石相差甚远。然而对于像杰克布森这样的研究人员来说，这些被锁在钻石内部的晶体碳碎片相当珍贵，其中的矿物微粒形成于地下数百公里的地幔深处。
博科园-科学科普：其中一些矿物微粒甚至难以被显微镜观测到，与此同时它们也给研究人员提供了勘探地球内部的机会。2014年研究人员观测到这些矿物质中含有某种不起眼的物质——水，但由于水出现的地点尤为特殊，这让研究变得十分有趣。矿物质检测出的水并不是真实水滴，甚至不是H20分子，但它含有氢和氧原子并且嵌在矿物本身的晶体结构中。这种含水矿物质并不潮湿，但当它融化时会溢出水。这一发现第一次直接证明了上下地幔的过渡区(地下410km-660km)存在含水矿物。
图片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
从那时起，科学家们发现了更多让人兴奋的证据。今年3月，一个研究小组宣称他们从地幔中发现了钻石，并且这些钻石内部有水存在；他们通过地震数据还绘制了地球内部大部分地区的亲水矿物分布图。现在一些科学家认为，地球深处潜伏着一个巨大水库。如果把地球上所有地表水看作是一个海洋，那么地下将会有好几个这样的海洋存在，这将改变科学家对地球内部的认知，但新问题也接踵而至：水从何而来？
1、水世界
没有水，地球上的生命将不复存在，这个充满活力、有生命的星球也不会存在。水在板块构造中起着至关重要的作用，诱发火山喷发，并帮助部分上地幔更自由地流动。尽管如此，大部分地幔还相对干燥。上地幔主要由尖晶橄榄石构成，这种矿物不能储存很多水。但在410公里以下的过渡区，高温和高压将橄榄石挤压成一种被称为wadsleyite的新晶体结构。
这颗来自巴西Juina的钻石最初在地球深处形成。它内部存有一种含有水矿物——菱镁石。图片版权：University of Alberta
1987年科罗拉多大学矿物学家乔·史密斯意识到wadsleyite晶体结构会受到缝隙影响，这些空隙为氢原子与氧原子结合提供了良好条件。史密斯发现，Wadsleyite可以潜在地攫取大量氢气，将其转化成一种含水矿物质，在融化时就会产生水。对于像史密斯这样的科学家来说，氢气就意味着水分子。在过渡带更深处，wadsleyite会变成尖晶橄榄石，在实验室里，杰克布森(上世纪90年代他是史密斯的研究生)通过挤压和加热尖晶橄榄石碎片来模拟过渡区的极端条件。
研究人员对wadsleyite和尖晶橄榄石两者进行了类比实验，结果发现在过渡区，这些矿物质中的水含量可以达到自身重量的1%到3%。考虑到过渡带大约有250公里厚，约占地球质量7%(地壳只占1%)，因此它可能蕴含数倍于地球海洋水量。然而，这些实验只能测量出地幔容纳水量。俄亥俄州立大学地球物理学家温迪·帕内罗说：这不是测量海绵含水量的实验，而是在测量海绵能容纳多少水。实验结果也不一定真实可靠，因为研究人员目前只能在人工培育的尖晶橄榄石上进行实验。直到2014年，除了在一些陨石中存有尖晶橄榄石外，还没有人在自然界中见到过尖晶橄榄石。
图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
2、诱人的线索
当球迷们聚集在巴西观看2014年世界杯时，一小群地质学家前往巴西利亚以西约2000公里的城市胡尼纳周围的农田中寻找从当地河流淘来的钻石。由于钻石在高温高压下形成，所以可能携带着少量矿物。由于钻石十分坚硬，当它们被火山喷发到地表时，内部的地幔矿物被很好地保存了下来。研究人员购买了1000多颗斑点最多、富含矿物质的晶体。其中一名科学家格雷厄姆·皮尔森将数百颗钻石带回了他在阿尔伯塔大学的实验室。
研究发现它不仅是含水的尖晶橄榄石，而且含水量约为1%。新墨西哥大学地震学家布兰登·施曼特说：就可信度而言，这是一个重要发现，科学家们首次获得了过渡带水化样本，那么认为过渡带的其他部分也有水合物的想法绝不疯狂。如果认为一个晶体代表了整个过渡区的平均值，那这就有点疯狂了。毕竟钻石只有在特定条件下才能形成，而这个样本可能来自于含水多的地区。
艾伯塔大学地球化学家格雷厄姆·皮尔森领导团队从地幔中发现了含水矿物。图片版权：Natasha Barrett
为了了解水合尖晶橄榄石的分布情况，施曼特和杰克布森等人一起用地震波绘制了一份地图。由于对流作用，水合尖晶橄榄石会下沉，当它下降到过渡区以下区域时，上升压力会将水挤出，导致矿物融化。在地幔物质下降的过渡带下方，这些熔融矿物会让地震波突然减速。通过测量北美地区的地震波速度，研究人员发现，在过渡带之下，这样的水池确实很常见。在欧洲阿尔卑斯山下测量地震波的研究也发现了类似例子。
今年3月，由拉斯维加斯内华达大学矿物学家奥利弗·茨亨纳领导的研究小组发现了含有实际水冰碎片的钻石，这是研究人员首次从地幔中观测到自由存在的水分子。这些样品可能更有利地说明了形成钻石的条件十分潮湿，而无法说明水普遍存在于储层。这种水被称为ice-VII高压水，南非和中国的许多地方都有它出现，因此它分布可能相对广泛。卡内基科学研究所地质学家史蒂文·施莱伊 说：几年后会发现ice-VII更加普遍，它也将告诉我们它和尖晶橄榄石有着相同经历。但如果真是这样，地幔里充满了水，那水是如何到达地幔的呢？
3、水的起源
根据标准说法，地球的水资源来自于外太空。地球周围的太阳形成区域太热以至于水等挥发性化合物无法凝结；因此新生的地球开始变得干燥，直到来自遥远太阳系富含水分的天体撞击地球并将水输送到地表时，地球才开始变得湿润。撞击地球的大部分天体可能不是彗星，而是被称为碳质球粒陨石的小行星，它携带了自身20%重量的水，储存在氢状的尖晶橄榄石中，但是如果在过渡区有大量水资源，水起源说法将不得不改变。
西北大学矿物学家史蒂夫·杰克布森认为地幔可以比地球海洋容纳更多的水，图片：J.R. Smyth
如果过渡带能将其重量1%储存在水中(适度估计)，它将能容纳两倍的地球海水资源。虽然下地幔更为干燥，但体积也更大，并且可能会发展成容纳世界上所有海洋的地区。虽然地壳中也有水存在，但以目前的速度，俯冲吸收这么多地表水，所需时间恐怕比地球的年龄还长。如果是这样，至少地球内部的一些水一直都在地幔。尽管早期的太阳系中的热量很高，但水分子可能会粘在尘埃颗粒上，从而形成地球。然而地幔中的总水量高度是一个不确定的数字，在低处的地幔含水量只有世界海洋的一半。
在高端，地幔可以容纳两到三倍多的海洋水，如果可以容纳更多的水，年轻地球的额外热量会使地幔变得过于潮湿松软，从而大陆板块就不会断裂，而今天的板块构造可能永远不会开始。耶鲁大学的地球物理学家Jun Korenaga说：如果地表有很多水，无疑是个好结果，如果地幔中有一堆水，那恐怕就很糟糕了。另外下地幔也仍有谜题未解，在那里极端的压力使尖晶橄榄石变成了根本不能容纳水的硅钙石。然而，最近的研究表明那里存在新含水矿物——D期和h期，这些矿物究竟是什么样，能储存多少水量，仍是一大难题。
因为这是一个非常开放的问题，地幔的水含量仍有待讨论。测量地球内部蓄水并不容易，有希望的方法是测量地幔的导电性，但是这项技术还没有像地震波那样先进。虽然地震波提供了地球内部视野，但图片并不总是很清晰。由于这些信号很微妙，所以研究人员需要更精确的数据和更真实的地幔物质来了解地球内部储水情况，而不仅仅凭借尖晶橄榄石和wadsleyite来下结论。过渡区60%都是尖晶橄榄石和wadsleyite，其余的是其他矿物质和化合物的复杂混合物。
寻找更多富含含水矿物质的钻石对研究也会有所帮助。在杰克布森的实验室里，这项工作落到了研究生米歇尔·温茨的肩上。她在阿贡国家实验室使用强大的X射线来绘制每一个矿物斑点的位置，其中几颗可能有六个矿物斑点。为了识别矿物质，将X射线照射到每个位置点上，并测量射线是如何散落其晶体结构。实验室里的数百颗钻石全部来自巴西，她检验了大约60次，没有发现水存在。不管有没有水，这些来自深海的钻石仍然令人惊叹，它们每一个都是独一无二的，就像雪花一样美丽别致。
博科园-科学科普｜文：Marcus Woo/Quanta magazine/Quanta Newsletter
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