地球地核在“漏气”?科学家解释:被天体撞上的后果:地核“漏气”了45亿年,直到现在?

八卦快讯 2023-10-29 07:40:11

一个巨大的天体可能曾撞上过地球,月球也许就产生于这次撞击。(图片来源:NASA/JPL-)

在地球上所有的氦气中,有0.%格外受到地球科学家的关注,因为它们可能关系到地球的起源。

撰文 | 二七

审校 | 王昱

1903年5月,在美国堪萨斯州德克斯特()小镇上,居民正计划着一场盛大的庆祝活动。不久前,这里刚发现了储量丰富的地下气体,人们想当然地认为这里蕴藏的是天然气,并期待着天然气资源能让他们过上好日子。

按照计划,庆祝活动的最高潮将是气井的点火试气。然而当镇长讲完话,将点燃的干草丢向出气口时,却没有燃起大火。镇长不死心地重复了几次,结果都是一样的。镇上的居民不得不接受这个“令人失望”的结果。这些无法点燃的气体随后被送到了堪萨斯大学进行鉴定,堪萨斯大学的化学家发现,其中含有一种未知成分。

这种未知成分就是氦气。小镇居民不会想到,当初被他们“嫌弃”的氦气,如今已经变成了比天然气更为宝贵的资源。不过对地球科学家来说,地球上有0.%的氦格外值得关注——这是氦的一种同位素,氦-3。

填充氦气的气球可以飘起来,还不易燃,因此受到了广泛欢迎。但也有研究者指出,这是一种极大的资源浪费(图片来源:)

每年,大约有2千克的氦-3从地球深处泄漏,沿洋中脊和地幔热点(hot spot)来到地球表面。问题在于,我们仍不知道这些氦-3来自地幔还是地核,也不清楚地球深处还储存着多少氦-3,而这些问题可能关系到了地球的起源。

“撞出月球”

在大约138亿年前的那场大爆炸后不久,元素周期表中最轻的氢和氦开始出现,其中氦由两种稳定同位素组成:大部分是氦-4,还有少量的氦-3。几十亿年过去,当宇宙冷却到某种程度,这些“原始”的氦伴随着巨大的气体和尘埃云坍缩,其中央形成了一个炽热的内核——我们的太阳就是如此诞生的。而没有进入恒星核心的物质可能会变成行星、小行星和其他碎屑——其中也包括我们的地球。

哈勃望远镜下礁湖星云的中心(图片来源:NASA, ESA)

这些来自宇宙之初的氦同样被封印在地球内部,虽然铀和钍衰变产生的氦-4稀释了当初“原始”的氦-4,但地球上绝大部分氦-3依然来源于太阳星云,这些氦-3也就成为了记录地球诞生和演化过程的第一手资料。

地质学家已经知道,如今,在地幔深处存在着不少氦-3。然而在地球历史上,氦-3却并不会乖乖地留在地球内部,它离开的方式主要有两种:一种是巨大的撞击事件,比如可能曾“撞出月球”的忒伊亚(Theia)原行星撞击事件(据推测,忒伊亚原行星的体积超过了火星的一半,甚至可能接近火星——显然这种时候白垩纪末期的那种小行星就已经不够格了);另一种方式则更加缓慢,比如洋中脊、地幔热点等能使深层地幔来到地表的构造运动。

问题是,无论是以哪种方式离开,一旦来到地表,氦气大多会直接进入地球大气,并且很容易离开地球系统,很少有氦能循环回地幔。那么,在过去的几十亿年间,如果深层地幔中的氦-3难道一直在“付出”而从未得到“回报”的话,这些持续逸出的氦-3来自哪里呢?

一些研究者提出,地核中储存了大量的氦-3,并在源源不断地补给到深层地幔。新墨西哥大学的地球科学家彼得·奥尔森(Peter Olson)和扎卡里·夏普( Sharp)就是这种观点的支持者,他们认为地核就像是一个安全的保险柜:“与地球系统的其他部分相比,不太容易受到大规模撞击事件的影响,也并不会参与地球表层的板块构造活动。”在这个假设下,数量就变成了一个关键问题:在地核形成时获得了多少氦-3,又向地幔输送了多少氦-3?

地核是个“保险柜”

最近,奥尔森和夏普建立了一个模型,试图更详细地解释这个过程。这项研究发表于《地球化学、地球物理、地球系统》(, , )。在他们的模型中,主要关注氦-3在两个重要阶段的变化:地球早期吸积过程获得氦-3的过程,以及之后失去氦-3的过程。

地球早期吸积过程获得氦-3的过程(左),以及之后失去氦-3的过程(右)(图片来源:原论文)

根据目前的类地行星形成理论,在地球刚形成时,表面还是一片炽热的岩浆海,如果原地球增长到足够的质量,就能够吸引富含氢和氦的大气。在这样的环境下,岩浆海的表面能溶解高压大气中的氦。计算显示,一部分氦可能就此储存在了地幔中,还有一小部分氦或许最终能够进入到原核中。

奥尔森和夏普的模型推测,大约45亿年前的一场撞击释放了地幔中的氦-3——这就是忒伊亚原行星撞击事件,这场撞击抛出的碎屑可能形成了月球的雏形。不过,这颗原行星还不足以“撞漏”地核:这场撞击只是使地壳广泛熔化,并使地幔中的大部分氦气逸出。此时的地核就像是一个保险箱,保存着地球最后的氦-3储备。

然而,尽管这场撞击没能直接“撞漏”地核,但依然可能导致了地核中氦-3的泄漏:如果早期地幔中的氦大量消耗,那么在整个核幔边界将存在氦浓度的明显不平衡;在接下来的地球历史中,地核中的氦-3将不得不泄漏到地幔中,再随着地幔对流来到地表。

地球经典圈层结构示意图,地球真实的结构可能还要复杂许多(图片来源:/)

奥尔森和夏普想做的,就是利用现在氦-3的泄漏速率和深层地幔中可能的氦-3浓度,来反推地核向地幔输送了多少氦-3,从而得知在地球的婴儿时期,有多少氦-3进入了地核。计算表明,在地球形成初期,原核中曾容纳了有100亿~9000亿千克的氦-3。如此巨大的数量,说明地球是在一个蓬勃发展的太阳星云内部形成的,此时太阳星云内还有高密度气体。

局限于模型

不得不承认的是,与大多模型研究一样,这一结论还缺乏有效的证据。模型运算的结果基于种种假设——例如地球在吸积过程中获得了氦-3,氦进入了原核等等。“这些假设,以及其他不确定性,包括太阳星云相对于地球形成的速度持续了多长时间,意味着地核中的氦-3可能会低于计算结果。”论文中这样写道。

但奥尔森和夏普依然希望能够找到更多线索,来支持他们的观点。例如,在大爆炸时与氦同时产生的氢可能会是一个不错的切入点,“如果能发现其他太阳星云中的气体,例如氢,从类似的地点,以与氦-3相似的速率泄漏出来,可能就会是一个‘确凿证据’。”

没彻底漏,但也漏了

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