地下海洋是如何形成的

巴伯顿山区的Komati河（南非）。

7月15日发表在《自然》杂志上的一篇文章认为，早在33亿年前，导致被海水改变的地壳沉入地幔中的机制就已经在起作用了。这表明现代板块构造的基石——全球物质循环是在地球存在的最初10亿年间形成的，而且地幔过渡带中多余的水来自地球表面的古海洋。该文章的合作者之一是俄罗斯科学院院士、地质与矿物学博士、俄罗斯科学院沃尔纳德斯基地球化学与分析化学研究所教授Alexander Sobolev。他也是赛德项目负责人。

地壳是由大的连续运动的构造板块组成，当这些板块碰撞并上升时，就会产生山脉，随之产生的冲击会导致地震和海啸。在海洋下面，构造板块的运动非常活跃：古老的海洋地壳，包括那些吸收了海水的矿物质，会沉入地幔深处。由于高温的影响，其中的一些水再次被释放，并在火山爆发中发挥作用，例如发生在堪察加半岛、千岛群岛和日本的火山爆发。而那些仍然保留在海洋地壳矿物质中的水，则会继续陷入深层地幔并在410 - 660公里的深处以瓦兹利石、尖晶橄榄石和镁铁硅酸盐等地幔中主要的矿物形式累积。实验表明，这些矿物可以含有大量的水和氯。这就是在地球存在的数十亿年间，海洋的大部分是如何被“泵入”地球内部的。

这一过程只是地球物质全球循环的一部分，正是该特征将我们的星球与太阳系中所有其他天体区分开来。许多科学家都在研究这一机制，试图了解它出现在地球历史的哪个阶段。

为了研究地幔及其成分，地球化学家（专门研究地球的化学成分和岩石形成过程的科学家）使用了由地幔凝固岩浆组成的火山岩样品。这是一种富含挥发性成分——如水、二氧化碳、氯和硫——的硅酸盐熔体。岩浆有不同的类型：科学家通常使用玄武岩熔岩（温度约为1200°C），但在地球早期历史上喷发的科马提岩浆（温度在1500-1600°C）更热。它可以帮助科学家们描述地球内层的演化，因为它更完整地匹配地幔的组成。

科马提岩是由数十亿年前的科马提岩浆形成的一种火山岩，其成分在其间发生了巨大的变化。它不再提供有关水和氯等挥发性成分含量的信息。但这些岩石仍然含有岩浆矿物橄榄石的残余（橄榄石在结晶过程中捕获了凝固岩浆的内含物，并保护它们不受随后变化的影响）。这些只有几十微米宽的内含物保留了关于科马提亚熔体组成的详细信息，包括水和氯的含量以及氢的同位素组成。为了提取这一信息，凝固的岩浆内含物必须被加热到自然熔点1500℃以上，然后立即回火，生成可用于化学分析的透明钢化玻璃。

2016年，由沃尔纳德斯基地球化学与分析化学研究所(Vernadsky Institute for Geochemistry and Analytical Chemistry)科学家领导的一个国际小组研究了已有27亿年历史的加拿大阿比提比绿岩带（Abitibi greenstone belt，由含有绿色矿物的岩浆岩组成的区域）的科玛提岩浆。这是该团队在《自然》杂志上发表的第一篇文章，当时，科学家们在上地幔层与下地幔层之间深度为410-660 km的过渡带中收集了水和各种不稳定元素，如氯、铅和钡等含量的初始数据，进而提出假设认为，曾经存在一个古老的地下水库，其质量堪比当今海洋。科学家们认为，这么多的水是在地球发展的早期阶段积累起来的。

Alexander Sobolev说:“在这篇新文章中，我们提供的地球化学数据表明，全球海洋地壳浸入地幔的周期比大多数专家认为的要早得多，而且可能早在地球历史的头10亿年就开始了。”

在研究过程中，科学家们再次调查了科马提岩浆的组成，但其来源不同：这些岩浆来自南非巴伯顿绿岩带，距今已有33亿年的历史。他们用一种可以可以承受高达1700摄氏度的高温的特殊设备加热了岩浆。地球化学家们发现，之前发现的深含水储集层早在古太古代就已经存在于地幔中，比之前的研究早了6亿年。

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编译：Max 

审稿：阿淼  

责编：张梦

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：

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