被天體撞上的后果：地核“漏氣”了 45 億年，直到現(xiàn)在?

1903 年 5 月，在美國堪薩斯州德克斯特（Dexter）小鎮(zhèn)上，居民正計劃著一場盛大的慶?；顒?。不久前，這里剛發(fā)現(xiàn)了儲量豐富的地下氣體，人們想當然地認為這里蘊藏的是天然氣，并期待著天然氣資源能讓他們過上好日子。

按照計劃，慶?；顒拥淖罡叱睂⑹菤饩狞c火試氣。然而當鎮(zhèn)長講完話，將點燃的干草丟向出氣口時，卻沒有燃起大火。鎮(zhèn)長不死心地重復了幾次，結(jié)果都是一樣的。鎮(zhèn)上的居民不得不接受這個“令人失望”的結(jié)果。這些無法點燃的氣體隨后被送到了堪薩斯大學進行鑒定，堪薩斯大學的化學家發(fā)現(xiàn)，其中含有一種未知成分。

這種未知成分就是氦氣。小鎮(zhèn)居民不會想到，當初被他們“嫌棄”的氦氣，如今已經(jīng)變成了比天然氣更為寶貴的資源。不過對地球科學家來說，地球上有 0.000137% 的氦格外值得關(guān)注 —— 這是氦的一種同位素，氦-3。

每年，大約有 2 千克的氦-3 從地球深處泄漏，沿洋中脊和地幔熱點（hot spot）來到地球表面。問題在于，我們?nèi)圆恢肋@些氦-3 來自地幔還是地核，也不清楚地球深處還儲存著多少氦-3，而這些問題可能關(guān)系到了地球的起源。

“撞出月球”

在大約 138 億年前的那場大爆炸后不久，元素周期表中最輕的氫和氦開始出現(xiàn)，其中氦由兩種穩(wěn)定同位素組成：大部分是氦-4，還有少量的氦-3。幾十億年過去，當宇宙冷卻到某種程度，這些“原始”的氦伴隨著巨大的氣體和塵埃云坍縮，其中央形成了一個熾熱的內(nèi)核 —— 我們的太陽就是如此誕生的。而沒有進入恒星核心的物質(zhì)可能會變成行星、小行星和其他碎屑 —— 其中也包括我們的地球。

這些來自宇宙之初的氦同樣被封印在地球內(nèi)部，雖然鈾和釷衰變產(chǎn)生的氦-4 稀釋了當初“原始”的氦-4，但地球上絕大部分氦-3 依然來源于太陽星云，這些氦-3 也就成為了記錄地球誕生和演化過程的第一手資料。

地質(zhì)學家已經(jīng)知道，如今，在地幔深處存在著不少氦-3。然而在地球歷史上，氦-3 卻并不會乖乖地留在地球內(nèi)部，它離開的方式主要有兩種：一種是巨大的撞擊事件，比如可能曾“撞出月球”的忒伊亞（Theia）原行星撞擊事件（據(jù)推測，忒伊亞原行星的體積超過了火星的一半，甚至可能接近火星 —— 顯然這種時候白堊紀末期的那種小行星就已經(jīng)不夠格了）；另一種方式則更加緩慢，比如洋中脊、地幔熱點等能使深層地幔來到地表的構(gòu)造運動。

問題是，無論是以哪種方式離開，一旦來到地表，氦氣大多會直接進入地球大氣，并且很容易離開地球系統(tǒng)，很少有氦能循環(huán)回地幔。那么，在過去的幾十億年間，如果深層地幔中的氦-3 難道一直在“付出”而從未得到“回報”的話，這些持續(xù)逸出的氦-3 來自哪里呢？

一些研究者提出，地核中儲存了大量的氦-3，并在源源不斷地補給到深層地幔。新墨西哥大學的地球科學家彼得?奧爾森（Peter Olson）和扎卡里?夏普（Zachary Sharp）就是這種觀點的支持者，他們認為地核就像是一個安全的保險柜：“與地球系統(tǒng)的其他部分相比，不太容易受到大規(guī)模撞擊事件的影響，也并不會參與地球表層的板塊構(gòu)造活動?！痹谶@個假設(shè)下，數(shù)量就變成了一個關(guān)鍵問題：在地核形成時獲得了多少氦-3，又向地幔輸送了多少氦-3？

地核是個“保險柜”

前段時間，奧爾森和夏普建立了一個模型，試圖更詳細地解釋這個過程。這項研究發(fā)表于《地球化學、地球物理、地球系統(tǒng)》（Geochemistry, Geophysics, Geosystems）。在他們的模型中，主要關(guān)注氦-3 在兩個重要階段的變化：地球早期吸積過程獲得氦-3 的過程，以及之后失去氦-3 的過程。

根據(jù)目前的類地行星形成理論，在地球剛形成時，表面還是一片熾熱的巖漿海，如果原地球增長到足夠的質(zhì)量，就能夠吸引富含氫和氦的大氣。在這樣的環(huán)境下，巖漿海的表面能溶解高壓大氣中的氦。計算顯示，一部分氦可能就此儲存在了地幔中，還有一小部分氦或許最終能夠進入到原核中。

奧爾森和夏普的模型推測，大約 45 億年前的一場撞擊釋放了地幔中的氦-3—— 這就是忒伊亞原行星撞擊事件，這場撞擊拋出的碎屑可能形成了月球的雛形。不過，這顆原行星還不足以“撞漏”地核：這場撞擊只是使地殼廣泛熔化，并使地幔中的大部分氦氣逸出。此時的地核就像是一個保險箱，保存著地球最后的氦-3 儲備。

然而，盡管這場撞擊沒能直接“撞漏”地核，但依然可能導致了地核中氦-3 的泄漏：如果早期地幔中的氦大量消耗，那么在整個核幔邊界將存在氦濃度的明顯不平衡；在接下來的地球歷史中，地核中的氦-3 將不得不泄漏到地幔中，再隨著地幔對流來到地表。

奧爾森和夏普想做的，就是利用現(xiàn)在氦-3 的泄漏速率和深層地幔中可能的氦-3 濃度，來反推地核向地幔輸送了多少氦-3，從而得知在地球的嬰兒時期，有多少氦-3 進入了地核。計算表明，在地球形成初期，原核中曾容納了有 100 億~9000 億千克的氦-3。如此巨大的數(shù)量，說明地球是在一個蓬勃發(fā)展的太陽星云內(nèi)部形成的，此時太陽星云內(nèi)還有高密度氣體。

局限于模型

不得不承認的是，與大多模型研究一樣，這一結(jié)論還缺乏有效的證據(jù)。模型運算的結(jié)果基于種種假設(shè) —— 例如地球在吸積過程中獲得了氦-3，氦進入了原核等等。“這些假設(shè)，以及其他不確定性，包括太陽星云相對于地球形成的速度持續(xù)了多長時間，意味著地核中的氦-3 可能會低于計算結(jié)果?！闭撐闹羞@樣寫道。

但奧爾森和夏普依然希望能夠找到更多線索，來支持他們的觀點。例如，在大爆炸時與氦同時產(chǎn)生的氫可能會是一個不錯的切入點，“如果能發(fā)現(xiàn)其他太陽星云中的氣體，例如氫，從類似的地點，以與氦-3 相似的速率泄漏出來，可能就會是一個‘確鑿證據(jù)’?！?/p>

沒徹底漏，但也漏了

參考鏈接：

• https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GC009985

• https://phys.org/news/2022-03-ancient-helium-leaking-core-clues.html

• https://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/heliumnaturalgas.html

本文來自微信公眾號：環(huán)球科學 （ID：huanqiukexue），撰文：二七，審校：王昱

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