【海洋科普】海洋是如何形成的？

控枪手 · 发表于海洋科普 2022-1-13 23:00:55

地球诞生之初，遍布全球的汪洋大海是如何形成的？
补充，之前在某个纪录片中看到过，说是某个时期，地球连续下了十几万年的暴雨才形成了今天的海洋。不知道具体是怎样的情况，不过想想那场景也是极其震撼啊！请各位知乎大神详细介绍一下。

mido · 发表于 2022-1-13 23:12:55

诚然，这个问题还没有确定的答案，但我试着从地质证据来看液态海洋可能的存在时间是什么？大洋的水从哪里来？那个时间段的特殊的环境是什么样的？这几个问题出发，去讨论从探讨海洋是什么时候形成的和可能的形成机制。这些尽可能的帮助我们理解海洋是如何形成的。
首先，我们先讨论液态海洋可能的存在时间。如果想知道液态海洋可能的存在时间是什么？那么就要知道最初的水是什么时候形成的，如何形成的。而如果想知道水是怎么来的，那必然要去讨论地球是怎么形成的，或者说在地球形成过程中，水是如何产生的。
1. 地球的形成
从早期假说开始，地球的形成就是和太阳系的形成联系在一起的，这就是“星云说”。
在太阳系形成的过程中，外围物质先是聚成石质和冰质的尘埃颗粒，再由颗粒作为凝聚核的物质团块相互碰撞和黏合，形成若干千米大小的星子（planetesimals），星子再碰撞结合为月球或者火星大小的星胚（planetary embryos），最终形成地球一类的内行星。远离太阳的星胚主要由各种冰质颗粒构成，因此可以形成引力强大的原行星，吸引氢、氦等元素；而太阳在形成过程中又将氢、氦“吹”向远处，集合在这类星胚周围形成巨大的外行星。行星的发育过程很快，太阳系形成以后10 万年就产生了星胚，1000 万年后就形成了地球的雏形，相当于现在地球质量的64%（图1 Jacobson，2003；Stevenson，2008）。

据估算，太古宙早期太阳光度（Solar luminosity）比现在低25%，如果地球上的大气成分与今相似，23 亿年前地球上的海水都应当在冰点之下。但是地质记录表明，三四十亿年前就有沉积岩、就有微生物，这就是天文学家提出的“早期太阳黯淡悖论（Faint young Sun paradox）”（Sagan and Mullen，1972）。当时地球上的海水不但并未冻结，而且还能让生物演化发展，原因在于地球表层系统的特殊条件：可能因古太古代时丰富的温室气体产生强烈的温室效应；也可能由于海水盐度较高、冰点偏低；又可能因为大气里缺乏生物成因的云凝结核，因而对太阳辐射的反射率较低（Rosing et al.，2010）。何况早期地球低纬地区的海水，即使在温室气体较低的条件下，也不至于冰封。
第二，从另一个角度来看，由于洋壳的不断更换，使得大洋形成的时间难以考证，但是最早的沉积岩是在格陵兰，测年为38.6 亿年（Moorbath，2009）。更早的记录只见于锆石，上述西澳杰克山（Jack Hills）的锆石年龄为44 亿年，其中氧同位素δ18O 为7.4‰。因为地幔的δ18O 是5.3‰，风化或低温过程产物的δ18O 为10‰，处在两者之间的中间值7.4‰，说明这锆石是地幔物质和地面水相互作用的产物，从而间接证明44 亿年前可能已经有海洋存在，至少是局部区域极有可能存在液态水（Pinti，2005）。
但不管怎么说，从地质证据来看，至少四十四亿年前应该就有液态海洋的存在了。那么，地球一共有46亿年的历史，存在水的上限时间是什么呢？
2. 地球早期的岩浆海
如果要探讨存在水的上限时间，那么必然要涉及到地球形成早期的岩浆海时期。
就先从现今的太阳系来看，从太阳向外分布着十多万个小行星，形成“小行星带”。推测这些约1 km大小的小行星，就是当初未能参加行星建造，散落在外的剩余星子。在地球形成的初期小行星只能比这多，而且运行轨道不一，这就使得小的碎片或陨石撞上地球就是个必然事件。现在综合更多天文学资料我们知道，太阳系形成早期在频繁的撞击下，从星子到行星早期都会发育岩浆海，成长中的地球当然不能例外（Elkins-Tanton，2012）。只是当初的岩浆海，现在的地球上已经难有踪迹，不过也有人主张：地幔底里的D" 层，有可能就是当年岩浆海的残迹（Labrosse et al.，2007）。
现在认为，岩浆海时期，地表高温是主要特征，并且其地球状态极不稳定（那个内部啊，还时不时有小星星撞击的），这个时期之后才有可能出现我们现在意义上的液态水或者海洋。
我们当然还有一个思路去探求海洋形成的时间和其形成大致环境。那就是这个盛海水的固体盆如何形成，什么时间形成的。追溯大陆地壳的起源，因为地球形成早期的地质记录极为零星，而且地质历史时期的各种构造活动可以完全抹掉最初大陆的大部分甚至全部地质记录，幸亏有我们的小强同学-锆石坚强地保住了历史的真面目。它只能在花岗岩或者长英质火成岩里形成，属于大陆型酸性岩浆活动的产物，但是在风化搬运中十分稳定，是一种能可靠指示物源的重矿物。因此，作为碎屑矿物的锆石，有可能保留着最早大陆地壳的证据。果然，30 年前在澳大利亚西北部发现了44 亿年前的锆石（Wilde et al.，2001）。锆石几乎都出自大陆地壳的花岗岩，现在母岩虽然已经消失，而锆石的发现却揭示了大陆的起源，说明地球上岩浆海形成后不出一亿年，就已经形成了大陆地壳（Valley et al.，2014）。
现在大陆地壳覆盖地球表面的40%，平均年龄高达22 亿年，一半以上在太古宙结束之前就已经形成，显然不能用当代岛弧增生的模式解释其成因。同时，这也是板块构造所不能解释的，所以才有学者提出前板块构造机制相对其加以解释和说明。
但是无论如何大陆地壳的形成标志着地球表面已经降温，可以允许低沸点（相对啊）的液态水在地表赋存了。
总之，从地质角度资料分析，液态水应该是在地球形成后很早的时期已经开始存在了（应该是从岩浆海结束-44亿年之前的时间内）。
3. 水圈与大气圈的形成
大洋的水从哪里来？答案牵涉到地球起源的“材料”：如果撞击聚集形成地球的星子星胎里面含水，地球起源就是“湿”的，那么水圈的水就是来自地球本身；如果地球起源是“干”的，星子星胎并不含水，就需要从外面来水，最可能的就是由彗星带来。
可以用水的同位素，氘和氢的比值（D/H）来检验两种观点。结果发现地球上水的D/H接近陨石，与彗星显然迥异，从而排除了外来水为主的假说。现在认识到地球起源是“湿”的，氢和水分随着增生的颗粒并入地球。考虑到后来大碰撞等种种过程，当初地球的水分应当比现在丰富得多（Drake，2005）。地球从增生开始到地核分异和深部脱气，此段时期里有大量的星体撞击，有大量的碳质球粒陨石带来水分。

然而这里说的是水的来源，至于液态水如何在地球表面汇聚成为海洋，又要从大气说起。
和其他内行星一样，地球增生时候的大气成分主要是氢、氦和氧，岩浆海时期的熔融状态，驱散了这类挥发元素。当时地表温度极高，地球表面的硅酸盐也蒸发成为气体。其后的200 万年间，地球表面是熔融地幔横流的岩浆海；随后的冷却，硅酸盐在几千年里迅速凝固（Sleep et al.，2001），留下CO2-H2O 的浓厚大气，很像今天的金星。大气圈里有高达100 bar ①的CO2；之后CO2 逐渐被地幔吸收，出现液态水，地面温度也从最初的1700 K 急剧下降（Zahnle et al.，2007）。当地表温度继续下降，地球表面形成一层玄武岩将大气和地球内部隔开后，大气温度就会急剧下降，水分迅速凝结，推测会发生一个“超级洪水（universal deluge）”期，接连下了几百年的暴雨，雨量比现在的热带还高出将近十倍（Abe，1993）。这段状态持续的时间在地质学上称为“冥古宙（Hadean）”，包括从地球产生到40 亿年前共5 亿年的时间（Nisbet，1991）。

专有名词说明：
冥古宙的名称取自希腊神话里地狱之神、冥王哈迪斯（Haides），专指岩石的地质记录出现前的“史前”时期，也象征当时的地球表面，上有祸从天降、下有岩浆翻滚的恶劣环境，很难有生命能够生存于这种水深火热的苦海之中。有待地球表层稳定和降温之后，才会出现生命起源和万物争妍的环境。（以上仅是从部分现有地质证据方面的分析，希望有小伙伴可以从生物方面加以论述）
之前有人说，地球现今内部（地幔）的水比地表的还多。但要明确一点，地球内部的水是在高温高压的环境下形成的。请看下图。地球的越往下，温度越高，压力也越高啊，导致物质的状态由温压决定。
那么在地幔深度的水（所谓的水）赋存的状态只能是以分子结构形式进行存在（可以理解为一种结构水），不是我们普通意义上的液体状态。
另外，参考文献中的一些nature和science文章很值得阅读，比较有启发性，当然有的脑洞更大。。。
References
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Anbar A D. 2008. Elements and evolution. Science, 322(5907): 1481–1483.
Anbar A D, Knoll A H. 2002. Proterozoic ocean chemistry and evolution: a bioinorganic bridge? Science, 297(5584): 1137–1142.
Ban field J F, Marshall C R. 2000. Genomics and the Geosciences. Science, 287(5453): 605–606.
Bell E A, Patrick B, T Mark H, et al. 2015. Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year old zircon. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,
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Brocks J J, Logan G A, Buick R, et al. 1999. Archean molecular fossils and the early rise of eukaryotes. Science, 285(5430): 1033–1036.
Buffett B A. 2000. Earth’s core and the geodynamo. Science, 288(5473): 2007.
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Catling D C, Zahnle K J. 2009. The Planetary Air Leak. Scientific American, 300(5): 36–43.
Cavanaugh C M, Gardiner S L, Jones M L, et al. 1981. Prokaryotic cells in the hydrothermal vent tube worm Riftia pachyptila Jones: Possible chemoautotrophic symbionts. Science, 213(4505): 340–342.
Ciesla F J, Sandford S A. 2012. Organic Synthesis via Irradiation and Warming of Ice Grains in the Solar Nebula. Science, 336(6080): 452–454.
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Falkowski P G, Isozaki Y. 2008. The story of O2. Science, 322(5901): 540–542.
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地球系统与演变汪品先田军黄恩清马文涛著 2018

zyw · 发表于 2022-1-13 23:24:55

区分一下海和洋的概念。海洋是“海”和“洋”的总称。从地理上说，占地球很大面积的咸水水域称为“洋”，大陆边缘的水域被称为“海”。从地质上说，具有大洋地壳（洋壳）的地方才有可能被称之为“洋”，而大陆边缘或者大洋地壳（洋壳）只占小部分的地方称之为“海”（南海，地中海，红海等都有小部分洋壳）。所以，这个题可以简化为，地球上的巨型水体是如何出现的？
巨型水体出现的时间和过程并不清楚，但目前的共识是原始大气中水先凝结出来，在原初地壳之上累积成巨型水体。时间大约在30亿年之前，过程极有可能是因为地表逐渐冷却，水汽凝结（我不敢肯定，也有可能不是H2O，而是其他的液体混合物）。据我了解，对于原始大气和海洋环境的研究还不是很细。当然也有可能是我相关知识欠缺。
提一下相关研究的难点：
1. 初始的海洋沉积物保存下来的很少，而且变质程度非常高，难以还原沉积环境。
2. 初始海洋沉积物中基本不存在化石，形成时间难以确定。加之变质程度非常高，同位素定年同样难以应用。
3. 原始大气的成分也是在有海洋沉积地层纪录之后才变得可行，而没有沉积纪录之前的情形，基本只能靠猜测。
我也想知道文字是怎么发明的，但是没有文献纪录啊～
地质意义上，洋壳的形成可以参考
@巴甫洛夫很忙

大陆漂移是如何启动的？ - 科学关于板块漂移的回答。在板块漂移启动之后，大洋地壳才正式成为大洋的载体。
盗用图片一张

为了幸福 · 发表于 2022-1-13 23:36:55

三个方面，坑是怎么来的？水是怎么来的？水里的盐是怎么来的？
盐
上图是海水的成分，大概3.5%为盐（广义的）。
盐的来源主要是：
1.海底火山活动和热液活动带入
2.由地表径流带来的溶解物
水的起源
[时间]
水的起源和地球的诞生大概在同一个地质时间段（45亿年前），多种同位素证据显示水在地核的形成以及形成月球的大撞击（此处不展开）之后不久形成。
水的起源并无定论（基本靠猜），因为我们所能获得的最老的证据也只有40亿年。有三种可能的猜测：
1.水从组成地球的岩石中分离然后汇聚，这些水多数是晶格中的
结晶水2.捕捉于太阳系星云中的水（此观点和1部分重合，不展开）
3.来自与碳质球陨相似的含水（冰）陨石
4.含水（冰）彗星
猜测 1 是目前最主流的，原因在此不展开。
坑（大洋地壳）的起源
地质证据支持，陆地（大陆地壳）的增长和坑（大洋地壳）的下沉是持续进行的。更通俗的讲，坑的形成可以等价于大洋地壳的形成，大地构造学的观点是大洋地壳的形成是伴随着板块俯冲的初始化同时进行的。关于板块俯冲如何开始在我的另一篇答案中有讲--
大陆漂移是如何启动的？ - 科学
references
1.
Seawater2.
What do we know about the origin of the earth's oceans? Is it more likely that they derive from icy comets that struck the young earth or from material released from the earth's interior during volcanic activity?
3.
Why is the ocean salty?
4.
The Origin of the Oceans
5.Chapter 8.21-The Geologic History of Seawater
6.William and Rubey, 1951
7.Holland, 2003
8.Turekian, 2001

liangbingquan · 发表于 2022-1-13 23:48:55

嗯，这个问题挺好，不是民科，嘻嘻
Close Tony回答的很好，我赞同。
原始海洋的形成之后，由于现在没有“遗迹”可供研究，所以，原始海洋的形成应该套在地球的形成中理解，推荐你看看BBC有一部地球的形成的科教片，简单说一下，起于原始奇点大爆炸，然后冷却，然后形成了许多重元素，铁元素之前的元素比较多，占的多，然后原始尘埃聚集，然后有你们说的类行星体，然后类行星体化学碰撞聚合，当然服从牛顿定律，天体有相对固定的位置开始演化，至于，你说的彗星体等，当然也伴生而来。地球说不定就是彗星聚合体（不科学的讲法）。
地球幸运的是，有合适的大小，位置，所以才有机会造就今天的生命演化。
补充第一点，56亿-30亿年之前应该地球自身演化过程，形成了地球的壳-幔-核相对机构，在此过程中，有一个排气，排水，排轻元素的过程，能理解吧，重的东西往地核跑，即分异过程，对比观察火山爆发的过程。气体水分往天上跑，石头还是会落回地上的。
由于地球的大小足够，这样就能留住水、大气这类东西。才形成了原始大陆和海洋。
而壳幔的形成作用，形成了原始的地球陆壳和洋壳。听说过冈瓦纳古大陆吧，原来的地球基本一块大陆，周围包围海洋（这是你想问的形成的海洋吗：）），陆壳后来才逐步裂解，形成新的陆壳和洋壳，后来的故事就不讲了。
题主说的连续下了十几万年的暴雨（是大规模排气排水后，集中下的吗），这个说法是指原始地球稳定以后吗，地球温度降下来了，有了原始大气圈，拓展原始水圈吗？不过，那就是不是下十几万年了，到现在还在下。
2016年7月25日，大家这么关心，这么跟帖，实在过意不去，我的回答还是比较民科，最近有一本书，希望给你们能参考，我就不黏贴书中的解释了。
The EarthSystem [美]Lee R.Keep James F.KastingRobert G.Crane 著
张晶戴永久译

求知 · 发表于 2022-1-14 00:00:55

海洋形成的重点在于水从哪里来，解决了这个问题我们就会知道海洋是如何形成的。
（PS：不愿意看文字的，文末有视频）
一、水从哪里来？

关于水的来源，目前有外源说和自生说两种说法[1]。不过我个人更倾向于自生说，我们先来看看在自生说中，海洋是怎么形成的。
目前主流的科学家们认为，整个太阳系起源于一个星云，这团星云中绝大部分物质聚集在星云中心，形成了太阳，而剩下的星云物质在围绕太阳运动的过程中，慢慢碰撞变大，变成小行星，小行星又继续碰撞形成行星，地球就是这么形成的。↓

有些科学家现在认为，在星云形成的过程中，由于某种原因，导致有些星云物质含水量较高，这些水以化学键的形式存在于矿物中（氢根、氢氧根），或者是以结晶水的形式存在于矿物中（举个例子，初中化学学的五水硫酸铜，其中的水就是结晶水），或者是以其他形式与矿物结合在一起。
这些含有水的矿物又进一步形成小行星，小行星相互碰撞形成了地球，在连续不断的碰撞中，动能转化成热能，岩石中的放射性元素也富集起来释放热量，这使得地球越来越热，最终形成岩浆球。在岩浆球中，各种化学反应使得矿物中的水分析出，在地表形成地壳以后以雨水的形式到达地面汇聚成海洋，这就是地球上水的自生说。
目前其实也有一些证据支撑这个说法，最直接的证据就是对陨石中含水量的分析，现在掉落在地球的陨石中，绝大部分都是来自于火星与木星之间的小行星带，这里的陨石与地球的形成时间是一致的，但是可能由于木星先形成，木星巨大的引力将小行星带中大部分物质都吸走了，导致小行星带内的行星生长处于停滞过程，因此在小行星带内全是大大小小的小行星，而没有形成一个完整的行星[2]。
小行星带内的小行星有时候会飞出轨道抵达地球，落地后就形成了陨石，科学家们通过分析这些陨石的成分，发现这些陨石是含水的，其含水量从小于0.99%到20%不等[3]。而地球正是由这些小行星碰撞形成的，所以地球内部是天然就有水的，只不过这些水是以氢根、氢氧根，或者是以晶格水、结晶水等形式存在于矿物中，当矿物融于岩浆中，这些物质就产生化学反应形成了分子水。
还有间接证据，这个间接证据就是目前的地球物理观察手段，地球物理学家们利用地震波探测地球深部的信息，地震波的波速在不同的物质中是不一样的，他们通过对地震波波速的计算发现在地幔物质中可能是含水的[4]；
外源说则认为地球上的水来源于地球外部，最开始有人认为是彗星带来的水，不过这个说法后来被科学家们否定了[3]，但不幸的是，这个说法在民间流传甚广，至今还有大量的人相信。
再后来，出现的新的外源说理论认为地球上的水大部分来自于39亿年前左右轰炸地球的密集小行星（这个故事我们后面会讲到），不过我的看法是，既然这些轰炸地球的小行星能够带来水，地球最初不也是由这些成分相似的小行星组成的吗？所以这种陨石带来水的说法跟自生说其实没什么本质的区别。
二、原始的海洋长啥样？

地球形成后很快冷却下来，当地表温度降低到适宜液态水的存在后，长久以来从岩浆中挥发出来的水蒸气很快变成降雨汇聚在了地表低洼处。不过，那时候的海洋与现在完全不同，它们很可能酸性很大，弥漫着臭鸡蛋味和硫磺味的混合气味。
这是因为，根据现在研究的火山气体的成分看，火山气体中含有大量的二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氯化氢、氟化氢等气体[5]。
那时候的地球，可能完全是末日的样子，火山喷发、岩浆四处溢流、天空中是灰黑色的火山灰、下着强酸雨（盐酸、氢氟酸、亚硫酸的混合液滴）。
现在的科学家能够找到的地球上最古老的物质是44亿年前的锆石，通过对锆石的分析表明，这些锆石形成于与液态水反应的混合岩浆中，这表明液态水可能在44亿年前就已经出现，而原始海洋可能在随后不久就出现了。
三、视频版回答

地球上水的出现和海洋的形成过程

参考文献：

[1]李三忠,许立青,张臻,孙文军,戴黎明,郭玲莉,曹花花,张国伟.前寒武纪地球动力学(Ⅱ):早期地球[J].地学前缘,2015,22(06):10-26.
[2]欧阳自远,王世杰,张福勤.天体化学:地球起源与演化的几个关键问题[J].地学前缘,1997(Z2):179-187.
[3]侯渭,谢鸿森,周文戈.陨石含水矿物成因评述和地球水来源的探讨[J].地球科学进展,2001(02):209-214.
[4]王文忠. 地球内部的物理和化学[D].中国科学技术大学,2019.
[5]野津宪治 ,姚泰煜.火山气体的分析[J].地质地球化学,1985(05):59-62.

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