地
球的婴儿期是在它的前5亿年左右，这一时期被神秘所笼罩。岩石和矿物为我们这个星球过去的大部分故事提供了确凿的证据，但它们很少能从那个最古老的冥古宙保留下来。因此，任何关于地球最初的冷却和随后形成的黑色表面的叙述都必须基于实验、模型和计算所提供的推断。即便如此，某些不确定性仍然存在。
这不是件坏事。让实验室里的每一天都变得新鲜而又令人兴奋的，正是许多“我们知道我们不知道的”的事情，以及我们每天发现一些使我们更接近真相的小线索的可能性。更加迷人的是发现那些“我们不知道我们不知道”的自然世界某些方面的前景，这些发现增加了神秘性的广度[1]。这些新的提问方式，比如“矿物是如何演化的？”，而不是简单的“它们的化学和物理性质是什么？”，为突破铺平了道路。
把我们不知道的东西清点一下很重要。所有的证据都表明，月球是由一次无比巨大的撞击形成的，但是我们无法确定撞击发生的确切时间，也不知道忒伊亚的最终轨道有什么细微差别。在那次巨大的碰撞后，我们可以想象一场炽热的硅酸盐暴雨袭击着地球饱受折磨的岩浆海洋，但这样一个过热世界的持续时间和冷却速度我们并不清楚，这在未来几十年里仍将是争论的焦点话题。新形成的月球的接近程度和退行速度同样不确定，即便它们对理解早期地球的动力学和演化至关重要。同样，没有人知道海洋最早是什么时候形成的，也不知道那时它到底是什么样子的。但它们确实形成了，以下故事基于现有的最佳证据讲述，因此是目前最好的版本。
黑地球不可能长时间保持黑色。全球范围的火山活动以每天数十亿吨的速度将炽热的氮、二氧化碳、有毒的含硫化合物和水蒸气喷入不断增厚的大气层。这些易挥发的元素和化合物，正是形成之前星云中各种冰层的分子，也是你现在呼吸的原子，还是构成你身体复杂组织的原子，它们在快速演化的地球上扮演了众多角色。当热水与岩浆混合时，热水降低了岩浆的熔化温度，使岩浆变成一种朝着地表上升的过热的“汤”。在靠近地表的地方，溶解在岩浆汤中的气体在大规模的火山爆发中从液体转变成剧烈膨胀的气体，就像一瓶被摇晃过的苏打水从封闭的易拉罐中喷出来那样。富含水的液体还溶解并集中了铍、锆、银、氯、硼、铀、锂、硒、金等多种稀有元素，这些元素最终将成为地球多样化地壳中的巨大矿体。在混乱的地表上，咆哮的河流和汹涌的海浪是侵蚀岩石、形成地球最早的沙滩以及使近岸沉积物变厚的主要因素。简而言之，水成了地球固体表面的总建筑师。
对海洋和大气的任何关注都反映了某种以人类为中心的观点，因为这些流体只是整个地球极微小的组成部分。今天的海洋只占地球总质量的0.02%，而大气只占地球总质量的不到百万分之一。然而，海洋和大气在使地球成为独一无二的世界这一点上，发挥了不成比例的巨大影响，并将继续发挥这样的影响。
作为地球上流动的气体成分，氮、碳、硫、水这四种主要元素发挥着重要作用。所有这些成分都是在巨大恒星中大量产生的，并在超新星爆发中被广泛地散播出去，集中在45.6亿年前最原始的富含碳的球粒陨石中。
在许多方面，球粒陨石的平均成分与今天的地球匹配度极高。第三章中讨论的六大元素（氧、硅、铝、镁、钙和铁）的比例含量显著相似，还有许多不太常见的元素。但是，即使是对这些迷人的古老物质的粗略研究也表明，地球上大部分原始的挥发物都从今天的地球上消失了。最原始的球粒陨石平均含碳量超过3%，但地球上所有已知的碳储量加起来还不到0.1%。同样，球粒陨石的含水量比地球现在的平均含水量要高得多，可能是现代地球的100倍。如此巨大的成分差异揭示了一段混乱和暴力的过去。地球上的大部分挥发物一定是消失在了太空中，或者深埋于地下，以我们取样的能力是远远无法获得的。
地球早期从一颗荒凉的、不宜居的黑色星球变成一颗更凉爽、宜居的蓝色星球，了解这个过程的关键就在于其周围挥发物的故事。但是没有挥发物能在地球最初的5亿年中以不变的状态保留下来。几乎所有的氮和碳，所有的硫和水，都被无数次地循环，同样的原子一次又一次地被使用。球粒陨石为我们的猜测提供了一个定量起点。地球前10亿年为数不多的已知岩石和矿物样本，加上来自月球和太阳系其他天体的数据，能够进一步描绘出我们的推测。就像理解地球最初1亿年间地幔和地壳的演化，以及在此之前很久的恒星形成一样，设想出任何合理场景的关键都是了解当时情况下元素不变的特性。回到目前所说的情况下，就意味着了解挥发性的氮、碳、硫和水的物理和化学性质。
在这四种成分中，氮是最容易理解的。它是一种化学惰性气体，几乎不会形成矿物，在岩石形成中几乎不起作用，但很容易在大气中聚集。只有在生命出现后，氮循环才对地球的外层产生很大的影响。当10亿或20亿年后生命和富氧的大气改变了地表的状态，碳和硫也会起到更加突出的作用。但第四种成分，也就是水，从一发端就是地球故事的中心。
水：一份简短的履历
水的各种地质作用都是由氢氧化物独特的化学性质决定的。回想一下，氢是第一号元素，而氧是第八号元素，这两种元素都没有两个或10个电子的神奇数字。每个接受电子的氧原子想找到两个电子，以达到神奇的数字10，而每个带有一个电子来共享的氢原子也想再要一个电子，由此结合的分子结果是氢氧比为2∶1的H2O。原子在这个紧凑的单元中呈V形，中心较大的氧原子两侧有两个氢原子凸起，就像米老鼠的耳朵那样。氧原子借用了两个氢原子的电子，带上了微小的负电荷，而每个氢原子相应地带有微小的正电荷。结果就出现了一个极性分子，带有相反的正电荷和负电荷的部分（分别是米老鼠的耳朵和下巴）。
水分子中的这种极性解释了它具有的许多特性。极性水是一种超级溶剂，因为它的正负两端能够施加强大的力，把其他分子拉开。因此，食盐、糖和许多其他成分在水中会迅速溶解。大多数岩石溶解的时间要长一点，但经过数百万年时间，海洋几乎富含了所有的化学元素。（因此，每立方英里的海水中含有400磅金，以金子最近的高价计算，其价值超过1 000万美元，如果我们有提取它的技术就好了。）水这种无与伦比的溶解和输送其他化学物质的能力，也使它成为生命起源和进化的理想介质。地球上的所有生命，甚至可能宇宙中的所有生命，都依赖于水。
水分子的极性使它们紧密地结合在一起：一个分子的正极吸引着其他分子的负极。因此，冰是一种异常牢固的分子固体（如果你曾在滑冰时摔得很重，你就不会忘记这一点）。分子间异常牢固的键合也导致水拥有超高的表面张力，这种迷人的特性让小昆虫能够在水上行走。表面张力也会引发毛细作用，能使水通过维管植物的茎上升，并使树木拔地而起，生长到数百英尺。圆形的雨滴是被水分子相互间的强吸引力拉扯在一起的，它是表面张力的另一种表现，也是维持地球超快速水循环的重要环节。非极性的挥发性分子，比如甲烷和二氧化碳则无法形成这样的液滴。它们只能飘浮在大气层中，形成细微的、弥漫的薄雾，所以一个由那些大气气体主导的星球并不知道“雨”是什么样。
分子间的强键合导致了水的另一个最奇特和重要的特性，那就是液态水的密度比固态冰的密度高10%。在几乎所有已知的化合物中，固态物质放在其液体形态中都会下沉，这在直觉上是合乎逻辑的，因为固体中分子是有规则重复排列的，而液体中分子是随机分布的。想想把鞋盒放在鞋店的储物室中。整齐堆叠的盒子（就像固态晶体结构中精心排列的分子）所占的体积，比随机堆放（就像液体中混乱翻滚的分子）的体积要小得多。但在水中，分子在随机的液态中的排列比在有序的冰晶中更为有效。
这造成的重要影响是，无论是饮料中的冰块，河流或溪流的冰层，还是巨大的冰山，都会漂浮在水面上。如果不是因为这种非同寻常的特征，许多水体每年冬天都会从下往上冻成固体，而不是形成厚厚的表面保护层。在那样一个完全结冰的世界里，寒冷的生态系统中的水生生物可能会遭遇严峻的挑战，而至关重要的水循环则会停止。奇怪的是，同样的现象是使滑冰和滑雪变容易的几个因素之一（尽管是次要因素）。你的冰刀对固体冰施加了很高的压力，从而产生一层密度更大的液态水薄层，在上面你可以更好地滑行。如果温度变得太低，通常低于-100华氏度，润滑的水层就无法形成，滑冰和滑雪会变得更加困难。
“纯净”水的另一个显著特点是缺乏纯度。无论如何仔细地过滤或蒸馏，水都不完全是H2O分子。这三个原子单位中的一小部分不可避免地分裂成带正电的氢离子（也就是H+离子，实际上只是一个带正电荷的质子，没有任何电子附着），再加上带负电的羟基（OH-离子）。氢离子很快就附着在水分子上，产生H3O+水合氢离子。我们所说的常温纯净水含有等量的正电氢离子和负电羟基，它们的浓度将液体的pH值转化为7（用化学术语来说，水合氢离子浓度为每升10-7摩尔）。
对地球上最早的海洋的推测主要集中在其pH值和盐度上。水容易溶解许多杂质，其中一些带正电，如钠离子（Na+）或钙离子（Ca2+），另一些则带负电，如氯离子（Cl-）或碳酸盐离子（CO32-）。根据经验法则来说，任何水溶液的净电荷必须为零，也就是正电荷的总数必须与等量的负电荷相平衡。在常温纯净水中，10-7摩尔的H3O+与10-7摩尔的OH-完全平衡。然而，在酸性溶液中，过量的H3O+必须平衡负离子（如盐酸HCl中的氯）。在碱性溶液中，过量的OH-必须平衡正离子（例如碱性的氢氧化钠NaOH中的钠）。
酸碱强度是由pH标度来衡量的。pH值越小，意味着酸性溶液中的H3O+比OH-数量高出得越多。pH值为6的弱酸性溶液（许多地方未经处理的自来水的典型酸碱度）含有的氢离子比pH值为7的中性溶液含有的要高出10倍。更强的酸性液体包括咖啡（pH 5，H3O+高出100倍）、醋（pH 3，H3O+高出1万倍）以及柠檬汁（pH 2，H3O+高出10万倍）。相比之下，碱性液体含有更多OH-而非H3O+，因此其pH值大于7。常见的碱包括小苏打（pH 8.5）、氧化镁溶液（一种pH 10的常见抗酸剂）和家用氨清洁剂（pH 12）。正如我们将要看到的，地球上最早的海洋的pH值和盐度仍然是一个争论激烈的问题。
水，到处都是水
水是宇宙中最丰富的化学物质之一。我们看见得越多，发现的水就越多。水在其他行星、卫星和彗星上的存在提供了线索，既有助于我们理解它在地球上为何如此丰富，也表明宇宙中可能分布着依赖水的生命。用望远镜观测可能会很棘手，因为我们的大气含水量高，往往遮掩了一切较远位置的水源，除了那些最集中的储水地。然而，深空中的一些天体通过它们对红外辐射的独特吸收而显露出冰面。
这种光谱特性揭示了一些彗星和小行星含有大量冰冻的水。天文学家在我们的太阳系中记录了无数的冰冻世界，从冥王星和它的卫星冥卫一，再到土星发光的冰环。虽然所有气态巨行星主要由氢和氦组成，但在它们浓密的大气中都储存着大量的水蒸气。而木星的大卫星木卫二和木卫四现在被认为有几英里厚的冰层，覆盖着更深层的环绕星球的海洋。
在离地球更近的地方，其他的类地行星乍一看似乎相当干燥。尽管如此，NASA的“信使号”水星探测器近期的观测发现，水星寒冷的极地陨石坑中有大量的冰层，这些陨石坑一直处在阴处，没有被附近的太阳照到。下一颗行星金星最初可能拥有与地球上含量近似的水，但今天它在近地表处似乎完全没有水的存在。它那层厚重且过热的二氧化碳大气层表明，这颗星球有着失控的温室效应，就算地表附近有过水，也早就消失了。
火星的白色极地冰盖会随着火星687天的季节周期而扩张和消退，这里是一个完全不同的故事。天文学家长期以来都推测，这颗红色行星可能是一个潮湿、有生命的世界。19世纪70年代，在火星运行到接近地球的位置时，意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）记录了火星表面黑色的线状特征，他认为那可能是含有水的自然河道，或者用意大利语来说是“canali”。他最初的描述被英语错译成了“运河”，这暗示火星上有高科技的工程结构，于是有人开始认为火星上出现过已灭绝的智慧生物，且这想法不胫而走。这些火星生命热衷者中最著名的是哈佛大学毕业的天文学家珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell），他在19世纪90年代迷上了斯基亚帕雷利的发现。他利用家族的财富在亚利桑那州弗拉格斯塔夫建造了一座私人天文台，并在那里潜心于火星研究。在亚利桑那州晴朗的天空下，他利用一台当时最先进的24英寸望远镜进行观测，想象着能发现一个庞大的运河网络，从可能被冰层覆盖的两极延伸到干燥的赤道。在他广受欢迎的著作《火星》（Mars，1895）、《火星及其运河》（Mars and Its Canals，1905）、《火星是生命的所在》（Mars as the Abode of Life，1908）中，洛厄尔描述了一个消失的、缺水的种族最后留下的孤注一掷的技术杰作。
洛厄尔丰富的想象力催生了一批科幻故事和小说[包括H.G.威尔斯（H. G. Wells）1898年的经典作品《世界大战》（The War of the Worlds）]，却没能让科学界相信火星上有水，更不用说有生命了。尽管随后一个多世纪的研究使用了越来越大的望远镜，开展了一系列复杂的飞越火星任务（从1965年的“水手4号”开始）、轨道飞行任务（1971年的“水手9号”是首次尝试）以及着陆任务（从1976年的“海盗号”开始），关于火星水资源及其重要程度的确凿证据仍然难以找到。20世纪70年代末，“海盗号”的光谱测量任务终于明确地记录了北极地区水冰的存在，但直到21世纪，通过最新一代卫星配备的大量仪器，加上“凤凰号”着陆器以及“勇气号”和“机遇号”探测器安装的刮刀工具，人们才真正确认了火星上大片水域的存在，以及水资源的性质。
21世纪，新一代卫星配备了大量仪器，加上“凤凰号”着陆器以及“勇气号”和“机遇号”探测器安装的刮刀工具，人们真正确认了火星上大片水域的存在，以及水资源的性质。然而，依靠太阳能运作的“勇气号”探测器于2009年的一次例行任务中陷入了特洛伊沙地的沙坑中，多次解救无效，从此一直保持着“冬眠”状态
今天，火星上的大部分水要么是以地下永久冻土的形式存在，要么是以深层温暖地带的地下水形式存在，那片地带是隐藏在干燥的外表层之下的巨大储水库。2002年，火星“奥德赛号”飞船携带了一台精密的中子谱仪，为确认地下水的范围提供了线索。当宇宙射线轰击火星表面时，它们能够将中子从富含氢（也就是说含水）的沉积物中排出。中子谱仪的用途是探测火星表面从赤道到高纬度的广阔区域喷出的中子。但是，这些新奇的结果带来一些答案的同时，也引发了很多问题，这些结果无法确定水的确切形式，也就是说无法确定它们究竟是水、冰，还是矿物结合的形式。
2007年，NASA的火星勘测轨道飞行器（MRO）使用探地雷达，提供了埋藏于地下的水的更高分辨率图像。这些开创性的测量工作探测到中南纬度地区的冰堆积到了冰川的大小。最近，欧洲空间局的火星快车轨道飞行器使用了一个类似的雷达系统来探测火星更大范围内的深层冰，在南极附近的一些地区发现了深度超1 500英尺的富冰区域。事实上，火星可能在数百英尺深的位置蕴藏着大量地下冰，相当于一个横跨星球的海洋。所以在火星上也可能曾经存在与地球上类似的海洋。
水也可以通过独特的岩石和矿物的存在来揭示。NASA的火星着陆器“凤凰号”及其“勇气号”和“机遇号”探测器，发现了大量补充证据，也就是通过水-岩相互作用形成的矿物。富含水的黏土矿物是火星近地表环境中的一种常见现象，它们可能代表了几年前中子实验观测到的大量富氢物质。象征着干涸湖泊或海洋的蒸发岩矿物也很常见，同样常见的还有蛋白石，一种结晶不良的石英品种，是热水渗透沉积物时形成的典型产物。
当行星科学家用全新的眼光审视这颗红色行星时，他们也看到越来越多的证据表明，水曾经自由地流过雕刻般的火星表面。高分辨率的照片揭示了古老的巨石遍布的河谷和沟壑，泪滴状的岛屿，滑塌构造，还有辫状河道。这些地形穿过沉积物堆叠的地层，似乎是在浅水湖泊或海洋中形成的。事实上，环绕火星北半球的海滩一样的阶地暗示着，北半球的海洋可能曾经覆盖了火星表面超过三分之一的面积。如果是这样，那么较冷的火星可能曾经是一个可以孕育生命的蓝色行星，比地球还要早千百万年。
接下来就到月球了，它是了解其围绕的庞大地球上水的历史的关键。传统观点认为月球十分干燥（实际上比骨骼更干燥，骨骼即便在沙漠的烈日下炙烤，仍可保留大量水分）。多条证据指向了这种干旱的环境，地面望远镜没有发现典型的红外吸收，“阿波罗号”在六个着陆点取样的月岩都没有探测到水的痕迹（至少按照1970年的分析标准是这样），而在月球表面发现的存在40亿年未生锈的铁金属，似乎排除了任何一点腐蚀性水存在的可能。
探测器拍摄到的火星表面
不过，传统观点是个值得玩味的东西。最终总会有人挑战其他人所认定的事实，偶尔发现一些真正有趣的东西。1994年，“克莱门汀号”探测器的一次飞越任务得到了与水冰一致的雷达测量结果，尽管许多行星科学家并不相信。四年后，月球勘探者利用中子谱技术探测到两极附近高浓度的氢原子，因此月球上可能存在着水冰或含水矿物。不过，许多专家认为，太阳风输入的氢离子更有可能是这种迹象的来源。2009年10月，NASA将宇宙神火箭的上面级发射到了其中一个陨石坑（靠近月球南极的卡比厄斯陨石坑）中，详细检查了撞击碎片的热流柱中是否有H2O的迹象。果然，扬起的尘埃中包含了一点重要的生命赖以生存的物质，这足以让人们重新燃起对月球的水以及它可能的起源的兴趣。2009年10月，《科学》杂志发表了三篇相互衔接的文章证实，月球上存在水的事实找到了明确的证据。
现在说说卡内基研究所的埃里克·奥里（Erik Hauri）及其同事。奥里的团队借助离子探针（一种高灵敏度的仪器，第一代科学家在研究“阿波罗号”带回的样本时还没有这种技术）重新研究了来自月球的样本，也就是我在1976年做第一份地质学工作时挑拣、研究过的那些彩色玻璃。几十年前，其他科学家曾对这些玻璃球进行过有关水的迹象的检测，但那时的探测能力完全比不上离子探针在百万分之一英寸尺度上分辨测量的能力。奥里和同事抛光了各种玻璃球，以便它们的圆形截面能在离子探针中显示出来。事实证明，这些玻璃球的外缘非常干燥，只有百万分之几的水，但最大一颗的核心水含量却高达百万分之一百。几十亿年来，大多数玻璃球的原始水分已经蒸发到了太空中，更多的是外层而非核心的蒸发。然而，根据玻璃球里面大量剩余的水，奥里和同事计算出，月球岩浆的原始含水量可能高达百万分之七百五十，这是很大一部分水，相当于地球上许多火山岩的含水量，完全足以驱动地表上的火山活动，而这些火山活动可能在数十亿年前的爆裂喷发中将岩浆散播各处。
如果月球历史上有那么多以水为动力的火山，那就一定有大量的水仍被锁在月球冰冻的内部。由于月球主要形成于忒伊亚对地球原始地幔的大规模挖掘，我们星球的深部可能也蕴藏着大量看不见的水。
可见水循环
不管我们在火星或月球上发现了多少水（现在看来有很多），地球仍然是我们太阳系唯一的水世界。关于地球上有多少水，它以什么形式存在，它存在于哪里，以及它如何流动，这些问题都极其复杂。直到20世纪90年代，海洋一直被认为是迄今为止最大的水库，它储存了地球上96%的水资源，远超位于第二的冰盖和冰川。如今的冰盖和冰川约占3%（甚至在冰期冰川前进的高峰期也可能不超过5%或6%），地下水（所有近地表水，无论是在明确的含水层还是分布更广的储水处）占1%，而所有湖泊、河流、溪流、池塘和大气的总和不超过地球近地表水供应的0.01%。
所有这些水都在不断地流动，从一个储存库转移到另一个，周期从几天到几百万年不等。维持生命的动态水循环代表了我们这个不断变化的星球上最明显的变化来源。想象一下，一个水分子，也就是由一个氧原子和两个氢原子组成的分子，存在了数十亿年之久，可能会有什么样的经历。就从浩瀚的太平洋中的分子开始吧，地球上的近地表水分子大部分时间都在那里度过。加利福尼亚洋流是一股巨大的寒流，它从阿拉斯加附近向南，沿着加利福尼亚海岸达到下加利福尼亚和赤道。当周围的水变暖并上升时，分子到达海洋表面附近，开始了一段顺时针绕北太平洋的伟大征程。它首先到达北赤道洋流，向西流经日本，然后是北太平洋洋流，一路向东流向北美洲。当水分子再次来到加利福尼亚州附近时，它恰好上升到阳光照射的海洋表面，并蒸发到了大气中，云在那里形成。
盛行风把增厚的雨云向东吹去，掠过西南部的沙漠，进入落基山脉的高地。当云层上升到更高、更冷的海拔高度时，雨开始落下。水分子最终作为雨滴的一部分降落到了地球上。它沿着一条蜿蜒的路，从小溪到小河，再到漫过河岸的暴涨的河流。到此为止，水分子的运动一直非常迅速，它用了一两年的时间环绕了整个太平洋，用一两天的时间进入云层并以雨的形式落下，用一周左右的时间流过丘陵高地。但随着它渗入地下更深的地方，并与一个巨大的隐蔽的含水层融为一体，这个水分子可能要花费成千上万年的时间在地下缓慢潜行。
这里，人类的行动改变了大自然古老的节奏，缺水的农民将地下深处的大量水抽出，来维持半干旱的西南地区的农业。人们以不可持续的速度开采着，含水层正在逐渐干涸。水分子只好屈服于这种趋势，它发现自己回到了地表，飞溅在得克萨斯州的玉米地上，它在那里迅速蒸发回到万里无云的天空，向东继续着旅程。
这个故事不断循环，没有终点。有些分子被暂时分解成氢离子和羟基离子，与新的原子伴侣重新结合成新的水分子。另一些分子则被冻结在厚厚的南极冰层中，它们将被锁在那里千百万年。还有一些水分子经过化学反应成为土壤中黏土矿物的一部分。
生命也成为水循环的一个组成部分。植物吸收水分子和二氧化碳，并通过阳光驱动下的光合作用，将两种分子结合在一起，产生根、茎、叶和果实。当这些富含营养的植物组织被动物吃掉，并通过呼吸代谢被分解掉时，我们每次呼吸时呼出的废物，就是二氧化碳和水的重组分子。
深层水循环
20世纪80年代中期，地球科学家开始认真思考全球范围内的水的问题，近地表水循环不可能是故事的全部。因为我们知道，数十英里或数百英里深的地方产生的岩浆所含的水足以引起火山活动，我们可以推断，我们星球深部结晶的硅酸盐矿物一定以某种方式捕获了水。水循环中一定有一个深层而隐蔽的部分能够告诉我们，地球是如何以及何时变成今天这个覆盖着海洋的星球的。
对深层水的实验研究聚焦的是，在地幔环境下，最常见的矿物能够结合少量水的概率，这些矿物包括橄榄石、辉石、石榴石及其密度更高的来自地球深部的变体。研究“名义上不含水”的矿物中的水，在20世纪90年代成为高压矿物学的一个主要焦点，并取得了惊人的成果。研究发现，在高压和高温下，一些矿物相对更容易结合大量氢原子，这在矿物学上就相当于结合水（因为氢原子会与这些矿物中的氧结合）。一些矿物在浅层地壳更冷的低压环境中总是干燥的，那里火山活动蒸发了所有的水，但在地幔深处，它们就变得相当湿润。
原则上，实验策略相当简单直接。取橄榄石或辉石样品，加水，加压并加热，看看水会流去哪里。但操作起来，其实并不简单。为了重现地球较深处的地幔环境，样品必须被加压到大气压力的数十万倍（相当于每平方英寸数百万磅），同时被加热到高达4 000华氏度的温度。为了完成这项惊人的壮举，科学家采用了两种互补的高压方法。
一部分人依赖于像房间一样庞大的金属压力机，对微小的样品施加巨大的压力，这是在半个世纪前哈滕·约德的压力炸弹的基础上所做的精心改进。一种经常使用的实验装置包括四个嵌套阶段，就像俄罗斯套娃一样，每个阶段围绕并紧抱着下一个阶段，将巨大的压力集中到越来越小的体积上。首先，一对巨大的金属板以惊人的力量从上往下挤压，压力可达到数千吨。这些巨大的金属板巧妙地对第二阶段施加一种牢固的抓力，第二阶段由六个弯曲互锁的钢砧组成，上面三个，下面三个，从各个面向第三阶段均匀地加压，第三阶段是由八个碳化钨砧组成的立方体集群。粉末状的矿物样品和水必须紧紧地包裹在第四阶段的最里面，通常还有一层金或铂的衬垫，这样反应物就不会从侧面喷出。由此产生的压力好像还不够，样品还必须用埋在样品架深处的电加热器烘烤，然后用一种叫热电偶的特殊金属线制成的精密线圈持续地测量温度。
另一种流行的模拟地球深部的实验方法是钻石对顶砧，通过将两颗顶端扁平的钻石挤压在一起，产生极大的压力。首先，取两颗典型的半克拉明亮式切割钻石，就像传统婚戒上的宝石那样，将钻石的底部尖角打磨成20英寸宽的平坦圆形表面，也就是砧面。然后将钻石安装在一个精准对齐的金属钳中，并在它们之间放置一块金属薄片，上面打上一个小孔。将孔对准相对的钻石砧，填上水和矿物粉末，然后进行挤压。对钻石施加适度的力会产生巨大的压力，因为砧面很小，因此会聚集力量。钻石对顶砧承受着破纪录的高压，相当于在地球内核中发现的300万个大气压。钻石对顶砧的精巧之处在于，透过透明的宝石，你可以看到被加压的样品。一系列分析光谱技术可以发挥作用，高功率的激光很容易将样品加热到地幔状态，还能通过透明的钻石砧展现出来。
如果一切顺利，也就是说，如果能达到并保持所需的压力和温度，热电偶没有损坏，样品没有泄漏，那么棘手的分析任务就要开始了。一些含水矿物，比如黏土和云母很容易辨认，但如何在干燥的样品中测量百万分之几的水呢？离子探针是一种选择，它的高灵敏度和空间分辨率曾让埃里克·奥里在月球的火山玻璃中发现微量的水。红外光谱仪是另一种有用的工具，它可以揭示氧和氢之间的特征键。氢和氧之间新形成的键改变了红外辐射与晶体相互作用的方式，这种变化可以表明水进入了矿物结构。然而，谨慎的同事（以及不甘被抢先的谨慎的竞争对手）总是会指出实验有缺陷或分析技术过于迟钝的可能。一个流体包裹体，也就是一个小到显微镜都看不到的小水袋，在这样过于精细的测量中会产生错误的信号。
与任何新的科学研究一样，这些实验需要花费一段时间才能被接受，但科学家研究得越多，包含深层水的矿物就发现得越多。下地壳中的橄榄石和辉石相当干燥，含水量不超过0.01%。但是，将压力升高到100 000个大气压，将温度升高到2 000华氏度，橄榄石就会转变成瓦兹利石，这种岩石中含有高达3%的水。与之相应的地层是地球上最潮湿的区域之一，也就是从约255英里到410英里深的地幔的过渡带，这里容纳的水量可能是海洋中所有水量的9倍。下地幔的矿物含水量很少，但它们占据了地球很大一部分，是地球总体积的一半，因此下地幔的含水量估计是地球海洋水量的16倍。考虑到其他富水矿物存在的可能性，以及地球的铁核可能也含有大量的氢，那么，地球深部可能储存了超过海洋80倍的水量。
最早的海洋
保守估计，原始地球中挥发物的含量是现代水平的100多倍。事实上，模拟地球挥发物历史的一个主要挑战是弄清楚损失了多少挥发物，以及它们是如何消失的。
有些事情我们可以确定。从初始那一天起，随着巨型火山向迅速增厚的大气中喷入大量蒸汽，挥发物就从地球深部被大批量地释放出来。在原始地球存在的最初几百万年里，大气密度可能是现代世界的许多倍。水可能以液态的形式涌向地表，冷却第一批岩石，并在数千万年间形成广阔的浅滩。
然后，大撞击把它全炸飞了。几乎所有到达地表的分子都被丢进了太空，就像按下了一个巨大的重置按钮。我们无法做合理的估算，在那次事件中地球损失了多少储存的氮、水和其他挥发物，但损失是巨大的。在接下来5亿年间，几十个直径100英里的岩石造成的小规模撞击都带来了无法想象的破坏，每次都蒸发了海洋的很大一部分，进一步减少了挥发性物质的存量。
尽管如此，在大撞击之后的几百万年里，水蒸气再次成为原始大气的主要成分，形成了全球性的暴风雨，乌云翻滚，狂风大作，雷电交加，暴雨倾盆不断。风暴冲刷下的玄武岩地壳表面冷却硬化，低洼的盆地逐渐被填满，慢慢形成海洋。有一段时间，逐渐形成的海洋创造了全球性的桑拿浴室，地表水的薄层穿透裂缝裂隙，碰触到下方高温的岩石，然后以巨大的间歇泉形式返回地表，喷出翻腾的蒸汽和极热的水。这种强烈的水——岩相互作用加速了地壳冷却，为更深的池塘、湖泊、海洋做好了准备。
全球海洋形成的确切时间尚不清楚，但令人吃惊的证据来自地球最古老的晶体。在西澳大利亚干旱的牧场（名为杰克山），30亿年前的沉积物地层中有地球上某些最古老的岩石。形成这些沉积物的沙粒大小的矿物和岩石碎片可能是从已消失的岩层中剥蚀下来的，而这些岩层肯定要古老得多。这些沙粒的一小部分，不超过百万分之一，是由矿物锆石——硅酸锆（ZrSiO4）构成的，它是自然界最坚硬的材料之一。
单个锆石颗粒通常比这句话末尾的句号还要小，它最初是在火成岩中作为次要的副矿物形成的。想象一下，玄武岩从只含有微量锆元素的熔体中凝固形成。大多数化学元素，无论稀有的还是普通的，都很容易进入辉石、橄榄石和长石的晶体结构。但是在常见的矿物中找不到锆。相反，它会寻找自己的同类，从而形成单独的微小的锆石晶体。
在几种因素的共同作用下，这些容易被忽略的锆石晶体成为了解原始地球的独特来源。首先，锆石几乎可以一直存在（至少在整个地球的历史上）。锆石单晶可以从一种岩石（或许是它最初结晶的火成容矿岩）中剥蚀留下，成为沉积砂岩的一部分，然后在数十亿年间一次又一次地经历侵蚀。同一个锆石颗粒可以在十几种不同的沉积岩层中循环。
其次，锆石晶体可以告诉我们时间，因为它们很容易与铀元素相结合，铀元素能占到它们原子的1%或更多。放射性铀的半衰期约为45亿年，是自然界的终极秒表。锆石晶体一旦形成，其中的铀原子就被锁定，并开始以稳定的速率衰变，平均每45亿年衰变其中的一半，最终每一个衰变的原子都转变成稳定的铅原子。铀原子减少与铅原子增加的比率，可让人准确估算出锆石晶体的年龄。
最后，锆石的每三个原子中有两个是氧，这提供了有关它们形成温度的线索。回忆一下，有关月球形成的一条证据是氧的稳定同位素的独特比例。地球和月球的氧-16和氧-18比例相同，这意味着它们形成时与太阳的距离相似。根据类似的推理，锆石晶体中氧-16与氧-18的比率表明了它生长的温度：富含较重的氧-18的样品意味着较低的形成温度。对于火成岩来说，这个温度可以作为一种敏感的指标，表明岩浆中锆石晶体生长的含水量，因为水会降低晶体生长时的温度。此外，近地表水的同位素比值倾向于包含更多更重的氧元素，因此氧-18含量极高的锆石晶体被认为与地表水发生了相互作用。
这样，地球上最早的岩石中的锆石晶体就可以在许多侵蚀和沉积的循环中存活下来，同时保留着原始环境的年代、温度和含水量的细节。所有这些信息都是从晶体中收集来的，要是没有显微镜，这些晶体几乎难以看见。
也就是说，澳大利亚杰克山的许多锆石晶体拥有40多亿年的历史，其中一种古老的沙粒在44亿年前就形成了。这种最古老的锆石晶体是地球上现存的最古老的固体碎片，其氧的同位素成分令人惊讶。一些科学家认为，44亿年前，当地球只有1.5亿岁的时候，地球表面相对凉爽潮湿，因此可能存在海洋。
其他学者对此没有那么确定。他们指出，锆石晶体可能非常复杂，这种44亿年前的颗粒，以及几乎所有来自杰克山的稍年轻的颗粒，都有古老的晶核。但每个单独晶体的详细图像表明，古老的锆石层外围生长着年轻锆石的同心层。从晶核到边缘，单个颗粒展示出10亿年的年龄值域并不罕见，氧的同位素也有相应的复杂变化。如果较老的晶核在较新的晶体生长过程中被改变，那么远古地球表面的真实特征可能就会被掩盖。
不管锆石的故事最终结局如何，大多数专家都认为，在大撞击后不到一亿年的时间里，地球就变成了一个明亮的蓝色水世界，环绕着大约一英里深的海洋。从太空中看，它就像是一颗海蓝色的大理石，上面一定有洁白的云团环绕着，但主要还是令人惊叹的蓝色。（海洋的颜色源自简单的物理学。照耀在海面的阳光包含了彩虹的颜色，有红、黄、绿和蓝等，但是水更容易吸收光谱中偏向红色的那一端，所以我们的眼睛接收到的主要是散射的蓝色波长。）
那么陆地呢？今天，大陆几乎占据了地球表面三分之一的面积，但是在我们星球诞生后的黎明时分，在地狱般的冥古宙，大陆还没有形成。原始的蓝色海洋上只有一些孤立的冒着热气的火山岛，在海浪之间浮现。这些火山岛是水面上唯一与众不同的特征，它们圆锥形的轮廓和狭窄焦黑的碎石海滩，从两极到赤道随机点缀着地球。
当我们想到地球上最早的横跨全球的海洋时，我们想知道它是什么样子的。它是热的吗？可能一开始是这样的，因为在海洋之下是仍在冷却中的全球岩浆海洋。它是淡水还是咸水？咸或许是现代海水最显著的特性，但假设地球上最初的海洋一开始是淡水，几乎没有溶解的化学物质，只是后来逐渐达到了今天这样的盐度，似乎是合理的。相反，最近的证据表明，早期高温的海洋很快就变得比今天还要咸得多。食盐即氯化钠（NaCl）极易溶于热水。现在，地球上大约一半的盐被困在内陆的盐丘和其他与干涸的盐水载体相关的蒸发岩沉积物中。这些盐中的大部分被深埋在厚厚的地层中，但是在地球最初的5亿年里，还没有大陆可以容纳盐。因此，最早海洋的盐度可能是现代世界的两倍。此外，溶解在温暖海水中的其他元素主要是玄武岩中大量存在的铁、镁和钙，它们的浓度也比较高。
早期海洋想象图
科学家还想知道，冥古宙的海是酸性的还是碱性的。控制海洋pH值和盐度的最关键的单因素是大气中的二氧化碳。大多数人认为，今天的大气中二氧化碳含量稍低于百万分之四百（尽管我们正逐年迅速接近并将很快超过这一水平），早期大气中二氧化碳的含量比今天高出上千倍。冥古宙的空气中含有的二氧化碳越多，就意味着水中的二氧化碳也越多，这必然会对pH值和盐度产生巨大的影响。二氧化碳与雨水结合形成碳酸（H2CO3），在海洋中，这种碳酸盐一部分会分解成氢离子，氢离子形成水合氢离子（酸性的H3O+）和碳酸氢盐（HCO3-）。H+的净增加使海洋变得酸性更大，可能会将pH值降低到5.5。这种酸性的海洋环境可能反过来加速了玄武岩和其他岩石的风化，在咸水的海洋中添加进更多的溶质。
昏暗太阳的悖论
关于地球最早海洋的故事细节，已经时而有冲突，足够有争议，但还有一个大问题需要解决。根据越来越精细的天文观测和天体物理学计算，像太阳这样的恒星在其一生中经历着不可阻挡的缓慢变亮过程。根据这些估计，44亿年前的年轻太阳比今天的亮度低了25%~30%。更重要的是，太阳会在至少15亿年的时间里保持着这种微弱的亮光。如果今天的太阳突然变得那样昏暗，地球将很快进入一个毁灭性的冰库阶段，海洋将从两极冻结到赤道，地球上的大多数生命都将死亡。只有最顽强的生物、深藏地下的微生物，以及生活在与火山有关的受保护热液区的动物，才能在如此灾难性的气候变化中生存下来。
如果有这样一个冷得多的太阳，地球肯定很快就结冰了。然而，在至少40亿年前，富含地表水的地质证据十分明确。浅水和深水环境的沉积物都很常见。在这段时间里，生命出现，并繁衍生息。那么，早期的海洋怎么会是液态的呢？
当然，较为昏暗的太阳造成的热量不足，一部分是由更热的地球来弥补的。在原始的岩浆海洋形成地壳后，仍然有大量高温的熔岩和火山活动让地表保持温暖。在这样一颗行星上，当黑色的地壳慢慢变厚并冷却时，海洋会从下方被不断地加热。
关于昏暗太阳的悖论，一种主导性的假说认为，由于大气中二氧化碳的浓度极高，可能是目前大气压力的10倍以上（同样高的二氧化碳浓度可能使海洋酸化并增加其盐度），温室效应被放大了。
第二种巧妙的假说是，在地球早期的黑色阶段，以及之后的蓝色阶段，吸收的太阳能量比现在地表吸收的能量要高得多。今天，海洋会比陆地吸收更多阳光，这一影响可能被早期海洋中高浓度的铁放大。阳光吸收的增加还可能与缺少散射光的云层有关。今天，植物产生的微粒和化学物质在形成云凝结核方面发挥着主要作用，但在数十亿年前，还没有植物能够触发云的形成。
另一种假说是，在早期大气中存在大量温室气体甲烷。富含甲烷的大气会产生一个奇怪的后果，那就是大气中的化学反应变得更活跃，紫外线辐射会引发多种有机分子的合成，包括可能构成生命的基本成分。这些有机分子或许引发了浓重的烟雾，将蓝色的地球变成了一个醒目的橙色世界，就像土星巨大的卫星土卫六那样。因此，虽然我们还不知道这些因素的确切组合，但对于地球如何保持在冰点以上，我们有足够的解释。
我们可以满怀信心地说，全球性的海洋一旦形成，就塑造了这颗星球的最外层，它雕刻了陆地，促进了矿物王国日益多样化的演化，并造就了生物圈的起源。水仍然在我们生活的方方面面发挥着神奇的作用，它是矿物资源的集成器，是地表变化的主要因素，也是所有生命的核心介质。
