在我们的印象中,水只能渗透到地球表层的土壤中,无法再深入地球内部的岩石之中,仅在地球表面参与物质循环,周而复始,地球的总水量基本保护稳定的状态。而实际上,地球上的水是可以深入地球内部的,只不过随着深度的增加,周围环境的变化使得水无法再继续深入更深的内部而已。

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地球上的水循环

我们在上学的时候,肯定都学会水在地球表面的循环,包括大循环和小循环两种方式。其中小循环又包括海上循环和陆地循环两种方式,意思就是仅在海洋或者陆地上进行着水相态的周期变化,从海洋或者陆地上因吸收太阳辐射生成的水蒸气,又会随着温度的下降发生冷凝降回到原来的海面或者陆地上。

而大循环则相对复杂得多,它涉及地球的各个方面,既包括陆地,也包括海洋;既包括土壤,也包括生物;既包括地表水,也包括地下水。这些存贮在不同区域、不同部位的水资源,在太阳辐射能量的驱动下,循环往复地发生蒸发、凝结、降水、渗透、流动等现象,从而实现海陆间的大范围转移。

除了在地球表面发生的水循环之外,其实还包括地表和地下的水循环,这个地表,既有海底,也有陆地表面。由于水的渗透性极佳,它可以在重力作用下,沿着地表土壤或者岩石中的缝隙,不断向下运动。而在运动过程中,这些水的“命运”是不相同的:

有的被土壤、泥沙和岩石所吸附;有的被植物根系所吸收;有的进入地下水系;有的会直达地球内部很深的地方,成为某些岩石水合物的重要来源;有的则会在高温作用下形成水蒸气,重新返回到运移空间;有的会以水蒸气形式与岩浆混合。…………

以上水进入地球内部之后的不同走向,其实都是地球水循环的方式,只是参与循环的载体和方式不同而已。有的通过孔隙以液态或者水汽形式直接返回地表,有的则会被固定在岩层中,造成参与水循环的周期具有很大的差异性。

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水能够渗透到地球内部多深?

在地球上,水之所以能够流动,一方面取决于其流体的性质,另一方面取决于重力势能的影响,因此,理论上只要有足够的空间和缝隙,水都是可以进入其中的。但是地球内部随着深度的增加,其自然状态将变得十分复杂,将会直接影响水的渗透性。

大家都知道地球是一个随着深度不同,其组成物质和物理状态出现明显差异的分层结构。这个结构的形成,来源于地球形成之初的演化进程。在太阳行成之后,相应的各个行星也各就各位,地球此时还是一个整体温度非常高的火球,之所以有这么高的温度,一方面来源于在吸收周围星际物质时相互碰撞下所积累的能量,另一方面来源于地球引力作用,使地表物质不断向内坍缩,引发组成物质之间的相互碰撞和摩擦。

在起码有上千度的高温下,地球表面一开始还分布着大量呈现熔融态的岩浆物质,随着时间的推移,在热辐射的作用下不断散失热量,地球逐渐发生了冷却。而在流体状态之下,物质的沉积在重力作用下显得比较容易,密度大的物质要比密度小的物质沉积速度快,因此地球从外向内呈现出组成物质密度不断加大的趋势,逐渐演化成了现在的地壳、地幔和地核三个主要部分,越往上物质密度就普遍越高,温度和压力也越大。

其中,地壳为地球的最上层,平均厚度为35公里,海洋中的地壳厚度较小,平均仅为6公里左右,主要由硅-铝氧化物或硅-镁氧化物所构成,整体上每下降100米温度就会上升1摄氏度。

地壳的下方是地幔,这一层由非常致密的造岩物质所构成,也是地球三大圈层中体积最大的一层结构,达到2800公里左右。在上地幔的顶层存在着一个软流层,地球各大板块就是“漂浮”在这个软流层之上,随着时间的推移缓慢地进行着板块运动,这里也是岩浆的发源地。在下地幔中,温度将达到1500-3000摄氏度,压力达到50-150万个标准大气压,在这种环境下,组成物质呈现出的是一种可塑性的固态形式,平均密度将达到4.7克每立方厘米。

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在地幔的下方是地核,平均厚度3400公里,外地壳的组成物质仍然为黏稠的液态,而内地核中温度高达5000摄氏度以上,压力超过1.3亿个标准大气压,物质密度达到惊人的13克每立方厘米,内地核中的物质在这种环境下,将以固态的形式存在,主要成分由铁、镍等金属元素所构成。

由于水或者水蒸气的流动,需要空间传输途径,当物质的密度过大、且以液态呈现时,则水很难从中穿过。通过刚才的分析,在地球圈层中,存在这个临界点的将是软流层,其距离地表的上界深度为100公里左右,下界深度为400公里左右,在软流层中,温度普遍在1200摄氏度以上,达到了地幔组成物质的熔融相温度,在水和挥发性物质的共同参与下,组成物质呈现固态、液态混合的固流体形态。因此,理论上,从地表渗入的水,最多只能渗透到400公里以下的软流层。

地表水的补充机制

根据有关科研监测数据,在海底有许多能够大量渗入地球内部的裂隙存在,其中以板块分离或者上下挤压形成的海沟最为明显。而且科学家们还估算出了每年因海沟渗透进入地球内部的水量,高达近十亿吨。与此同时,在地球水循环的过程中,会有一部分的水汽分子散逸到大气层的外层空间,在高能辐射电离、太阳风吹拂作用下,会有一定的比例最终逃逸到宇宙空间中,虽然比例相对较小,但也或多或少存在着这种客观的损失数量。那么在“一内一外”的消耗下,地球的水量为何不见减少呢?重点是地球上的水资源从整体上看,具有非常有效的补充机制。

渗入水的返回机制。在地球内部高温作用下,一部分液态水变为水蒸气通过原有渠道直接返回地表。

地质运动的返回机制。地表水渗透进软流层之后,会与岩浆共同形成呈固流体形态的物质,随着地球自转的作用,地球内部岩层之间的应用以及能量会逐渐积累,当到达一定程度之后就会以火山、地震等形式,在地壳最薄弱的地方向外释放。而在释放的过程中,水就会以水蒸气的形式从地球内部带回地球表面,重新参与地球的水循环。

结晶水基本不参与水循环。虽然地球内部拥有大量的可以形成结晶水的岩石,比如林伍德石,但是这些水基本上是在地球形成之初、原始海洋形成之后就开始富集产生的,相态比较稳定,同时地表渗透水也很难通过软流层到达结晶水岩石这一区域,因此,这部分的岩石固然含水量丰富,但也不会对地球表面水量产生任何影响。

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地外空间的水源补充。虽然有一部分水汽可以逃离到地球大气层之外,但是地球上经常会发生着小行星和彗星等地外天体的坠落事件,这些小天体特别是彗星上富含了大量的水源,在一定程度上弥补了水汽逃逸的损失。

总结一下

地球上的水,其实是无时无刻不在向地球内部渗透的,只不过由于地层结构、温度和压力的限制,其最多只能渗透到软流层之中。而地球表面水量总体保持稳定的原因,就在于渗透的水、逃逸到外太空的水总量,与从地底返回、地外小天体补充的总水量保持着相对平衡的状态。