每年30億噸！馬里亞納海溝正在大量吞入海水，為何海平面不降反升

地球上最深的地方正在"喝水"。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，馬里亞納海溝每年吞噬的海水量遠超我們的想象，保守估計超過30億噸。按這個速度，幾億年下來，海洋豈不是要被抽干？

但奇怪的是，全球海平面不僅沒有下降，反而在過去一百年里上升了超過20厘米。這水到底去哪兒了，又從哪兒冒出來的？

海溝"吞水"這件事，到底是怎么被發(fā)現(xiàn)的

這個發(fā)現(xiàn)要追溯到2018年，發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究徹底顛覆了科學(xué)界對地球水循環(huán)的認知。

華盛頓大學(xué)的地球物理學(xué)家陳蔡一行人，在馬里亞納海溝附近部署了一套由19個海底地震儀組成的觀測網(wǎng)絡(luò)，同時在周邊7個島嶼上安裝了陸地地震監(jiān)測站。他們的目標(biāo)是監(jiān)測俯沖帶的地震活動，但在分析數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的現(xiàn)象：地震波在穿過俯沖板塊時，速度明顯變慢了。

地震波減速意味著什么？這說明那些正在俯沖的巖石里含有大量的水。因為水會降低巖石的密度和剛性，就像海綿吸飽水之后變軟一樣，含水的巖石會讓地震波"跑不動"。通過精確測量地震波的速度變化，科學(xué)家可以反推出巖石的含水量。

結(jié)果讓所有人大吃一驚。此前的模型認為，俯沖板塊能攜帶的水主要集中在淺層的沉積物和洋殼中，深度大約只有幾公里。但新數(shù)據(jù)顯示，水滲透的深度遠不止于此，它一直滲入到了地幔頂部，深度達到30公里以上。這意味著，俯沖帶攜帶進入地球內(nèi)部的水量，是之前估計值的三倍多。

僅馬里亞納海溝一個俯沖帶，每百萬年就會把大約3×10^12噸的水帶入地幔。換算成年均值，大約是30億噸。全球一共有5.5萬公里長的俯沖帶，如果都按類似的速率計算，每年被地球"吞掉"的海水總量可能達到數(shù)百億噸。

這個發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一個嚴(yán)肅的問題：這么多水進去了，地球的水收支平衡怎么維持？如果只進不出，海洋遲早會縮水。但現(xiàn)實顯然不是這樣，所以一定有什么機制在往外"吐水"。

水是怎么被"吸進"地球的？

要理解這個吞水機制，咱們得先搞清楚俯沖帶是怎么運作的。

地球的外殼不是一整塊，而是由十幾個大板塊和若干小板塊拼成的，它們漂浮在黏稠的地幔上方，像冰塊浮在水面上一樣。這些板塊在不斷移動，有的地方互相擠壓，有的地方互相分離。俯沖帶就是兩塊板塊"正面硬剛"的地方，其中一塊被迫向下彎曲，鉆到另一塊的下面去，這個過程叫俯沖。

馬里亞納海溝就是地球上最典型的俯沖帶。太平洋板塊在這里俯沖到菲律賓板塊之下，每年大約移動3到4厘米。聽起來很慢，但在地質(zhì)時間尺度上，這個速度已經(jīng)相當(dāng)可觀了，過去5000萬年里，太平洋板塊在這里已經(jīng)俯沖了超過1500公里。

俯沖的板塊并不是干燥的。海洋板塊的表面覆蓋著幾百米厚的沉積物，沉積物里充滿了水。板塊本身的洋殼也有很多裂隙和孔隙，里面灌滿了海水。

當(dāng)板塊開始彎曲下沉?xí)r，彎曲會產(chǎn)生巨大的拉伸應(yīng)力，讓巖石里產(chǎn)生大量新的裂縫，就像掰彎一根干樹枝時它會開裂一樣。這些新裂縫會像毛細血管一樣把海水吸進去，一直滲透到地幔巖石中。

海水進入巖石后，不會以液態(tài)水的形式存在太久。隨著板塊俯沖到更深處，溫度和壓力不斷升高，水會和巖石中的礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一類叫做"含水礦物"的東西，比如蛇紋石、綠泥石、角閃石等。這些礦物的晶體結(jié)構(gòu)里"鎖"著水分子，就像把水封裝進了一個個小保險箱里。這樣，水就可以隨著板塊一起被帶到幾十公里、甚至幾百公里的深度。

這就是地球"喝水"的機制：俯沖板塊像一條緩慢移動的傳送帶，把海水一點一點搬運到地球內(nèi)部，以礦物結(jié)合水的形式儲存起來。整個過程不知不覺，但日積月累，量非常驚人。

地球也會"吐水"：火山和洋中脊的逆向循環(huán)

既然水能進去，自然也能出來。問題是，水是怎么從地球深處跑回地表的？答案藏在火山和洋中脊里。

先說火山。當(dāng)俯沖板塊下沉到大約100公里深度時，溫度會升高到600到700攝氏度。在這個溫度和壓力下，之前鎖在礦物晶格里的水開始被"擠"出來。

這些釋放出的水會滲入上方的地幔楔，也就是俯沖板塊和上覆板塊之間的那塊地幔區(qū)域。水的加入會顯著降低地幔巖石的熔點，就像在冰里加鹽會讓冰更容易化一樣。于是，部分地幔巖石開始熔化，形成巖漿。

這些巖漿比周圍的固態(tài)巖石輕，會慢慢向上浮起，最終從地表噴發(fā)出來，形成火山。每次火山噴發(fā)，除了巖漿和火山灰之外，都會釋放大量氣體，其中水蒸氣是最主要的成分，通常占火山氣體總量的60%到90%。1991年菲律賓皮納圖博火山噴發(fā)，一次性向大氣層釋放了約2000萬噸的水蒸氣，這還只是一座火山、一次噴發(fā)。

全球現(xiàn)有活火山約1500座，平均每年有50到70座處于活躍噴發(fā)狀態(tài)。粗略估算，每年通過火山活動返回地表和大氣的水量在數(shù)億噸的量級。

再說洋中脊。洋中脊是板塊分離的地方，在這里，地幔巖石上涌，形成新的洋殼。這個過程伴隨著大量的熱量釋放，洋中脊附近遍布著熱液噴口，海底的"溫泉"。這些噴口會噴出溫度高達400攝氏度的熱液，里面除了各種溶解的礦物質(zhì)，還有大量從地幔深處釋放的水。

更重要的是，洋中脊的巖漿本身就含有水。地幔巖石并不是完全干燥的，它含有大約0.01%到0.1%的水（以結(jié)合水的形式存在）。當(dāng)?shù)蒯Ｔ谘笾屑瓜路桨l(fā)生部分熔融時，這部分水會優(yōu)先進入巖漿，最后隨著巖漿凝固和冷卻，以熱液的形式釋放出來。每年全球洋中脊產(chǎn)生的新洋殼大約是3.4平方公里，伴隨這個過程釋放的深部水量也在億噸級別。

所以，地球的水循環(huán)不只是"海洋—大氣—陸地"這個你在課本上學(xué)過的表面循環(huán)，還有一個更深層、更緩慢的"表層—地幔—表層"大循環(huán)。水從俯沖帶進入地球，在地幔中待上幾百萬到幾億年，然后從火山和洋中脊返回地表。這兩個方向的流量大致相當(dāng)，維持著一個動態(tài)平衡。

那海平面上升是怎么回事？

搞清楚了地球吞水和吐水的機制，咱們再來看海平面的問題。

海平面變化是一道加減法：一邊是海洋得到多少水，另一邊是海洋失去多少水。只要得到的比失去的多，海平面就會上升。

過去一百年，全球海平面上升了約20厘米。這個上升不是因為地球"吐"出的水突然變多了，也不是因為俯沖帶"吞"得變少了，而是因為另外兩個因素的影響遠遠蓋過了深部水循環(huán)。

第一個因素是冰川融化。地球上大約有2400萬立方公里的冰，其中90%以上集中在南極洲。過去一個世紀(jì)，全球氣溫上升了約1.2攝氏度，導(dǎo)致格陵蘭和南極的冰蓋、以及全球各地的山地冰川都在加速融化。

格陵蘭冰蓋每年損失約2800億噸冰，南極每年損失約1500億噸。這些融化的冰以每年幾千億噸的速度涌入海洋，相當(dāng)于每年往海里倒進一個太湖那么多的水。

第二個因素是海水的熱膨脹。水有一個特性：溫度升高時體積會膨脹。海洋吸收了全球變暖產(chǎn)生的多余熱量的90%以上，導(dǎo)致海水溫度上升，體積膨脹。這種膨脹不需要增加一滴水，就能讓海平面上升。據(jù)估算，熱膨脹貢獻了過去海平面上升總量的約40%。

現(xiàn)在咱們來對比一下這幾個數(shù)字的量級。馬里亞納海溝每年吞入30億噸海水，全球俯沖帶加起來可能是幾百億噸。聽起來很多，但相比于海洋的總水量，13.86億立方公里，也就是1.386×10^18噸，幾百億噸只是個零頭，大約是總量的千萬分之一。而且，火山和洋中脊每年吐出的水量與之相當(dāng)，兩邊基本抵消。

但冰川融化就不一樣了。每年4000多億噸的冰融化入海，這是一個凈增量，沒有什么機制能把它抵消掉。熱膨脹也是凈增量——只要地球繼續(xù)變暖，海水就會繼續(xù)膨脹。

所以答案就很清楚了，俯沖帶吞水和火山吐水是地球幾十億年來一直在進行的"內(nèi)循環(huán)"，進出基本平衡，不會導(dǎo)致海平面顯著變化。但冰川融化和熱膨脹是過去一百多年才突然加劇的"新變量"，它們產(chǎn)生了巨大的凈增量，壓過了一切自然調(diào)節(jié)機制，推高了海平面。

結(jié)語

30億噸水聽起來驚人，但地球是一個閉合系統(tǒng)，進的水遲早會出來。真正改變海平面的，不是這些古老的地質(zhì)循環(huán)，而是我們在過去一百年間往大氣里排放的二氧化碳。相比俯沖帶吞水的速度，冰川融化的速度快了不知多少倍，這才是我們應(yīng)該擔(dān)心的事。