神秘气体正从地核“泄漏”

本文转自：科技日报

加拿大最大的岛屿巴芬岛拥有崎岖的山脉和陡峭的悬崖。研究人员首次在巴芬岛火山岩中检测到高比例的氦-3和氦-4。图片来源：前沿加拿大官网

【今日视点】

◎本报记者 张佳欣

地球可能正在“漏气”。

近日，一篇发表在《自然》杂志上的研究显示，科学家在位于加拿大巴芬岛的火山岩里检测到了“惊人数量”的稀有氦同位素：氦-3，这一发现为“惰性气体正在从地核‘泄漏’”提供了有力证据。研究团队指出，在陆地上发现如此高含量的氦-3是一个重大发现。

除了氦-3，研究人员还在岩石中检测到了氦-4。相对来说，氦-4在地球上比较常见，而氦-3则更容易在宇宙中（除地球外）的其他地方被发现，再加上此次在巴芬岛发现的氦-3含量较高，地球神秘的核心以其“怪异的”行为再次让科学家感到困惑。

发现“科学宝藏”

巴芬岛位于努纳武特地区，是加拿大最大的岛屿，也是世界第五大岛屿。美国有线电视新闻网（CNN）报道称，此次，研究人员首次在巴芬岛火山岩中检测到高比例的氦-3和氦-4。

行星的组成反映了构成它的元素。2022年，发表在《美国地球物理联盟杂志》的一项研究就已指出，氦-3从地核中“泄漏”支持了一种流行的理论，即我们的星球起源于太阳星云，其中就含有氦-3元素。

新研究主要作者、美国伍兹霍尔海洋研究所地球化学家福雷斯特·霍顿团队决定在此基础上更进一步。他们于2018年在巴芬岛进行了研究，调查了数百万年前格陵兰和北美分裂时喷发的熔岩，这些岩石可能包含关于“锁定”在地核和地幔中物质的信息。

霍顿表示，这里的每一块岩石都是有待发掘的珍贵的“科学宝藏”。许多熔岩中充满了亮绿色的橄榄石。

每100万个氦-4原子中只有一个氦-3原子存在。而根据研究团队的测量，每克橄榄石晶体中约有1000万个氦-3原子。氦-3和氦-4的测量值比之前研究报告的要高得多，大约比地球大气中的比例高50倍。这表明，它们可能是在太阳系形成过程中从太阳星云“继承”而来的气体，在地球上的保存状况比之前想象的要好，这对于了解地球的形成及其深层内部尤其重要。

了解地球内部的线索

氦-3是氦的一种同位素，只有一个中子。它是应用于核聚变反应的一种很有前途的燃料，氦-3也是地球的一种原始成分，研究氦-3有助于了解地核的关键过程，例如地球磁场的产生等，它在地球上生命的出现中发挥了重要作用。

但是，氦-3最初是如何进入岩石的呢？答案或许可以追溯到大爆炸，当它塑造宇宙时，也释放出大量的氢和氦。随着时间的推移，这些元素被“嵌入”到了星系的形成中。

科学家认为，大约46亿年前，一个由气体和尘埃组成的巨大星云坍塌，形成了我们的太阳系。该星云中的一种气体是氦，它是宇宙中仅次于氢的第二丰富元素。随着地球的形成，在太阳风上流动的氦-3和氦-4被“困”在了正在冷却的行星的矿物中。随着较重的元素和矿物下沉到底部，这些被捕获的氦被输送到地球的核心，在那里它以原始形式被“锁定”。

地球不足以容纳一定数量的氦。任何没有被形成中的地球“捕获”的物质，或者后来随矿物在地幔中融化，抑或由于巨大的撞击而释放出来，最终都会渗入地表，或漂浮到太空中。因此，氦在地球上相对稀少，氦-3更是如此。

然而，研究人员在巴芬岛的火山岩中发现了大量的氦-4和氦-3。研究人员表示，这表明熔岩起源于地幔柱，该地幔柱从地球深处升起，填补了地壳分裂期间产生的间隙。地幔羽流是极热岩浆的区域，羽流穿过地幔和地壳上升，可将地核中的氦带到地表，最终在巴芬岛“泄漏”。

霍顿表示，在火山喷发期间，岩浆中的绝大多数气体逃逸到了大气中。因此，只有喷发前生长的橄榄石晶体“捕获”和保存了地球深处的氦。

不会对人类造成影响

这项新研究支持了氦-3正在从地核“泄漏”的观点，但研究人员并不确定这一过程是从什么时候开始的。

霍顿表示，巴芬岛的熔岩大约有6000万年的历史，而地幔羽流的上升可能需要数千万年的时间。因此，他们在这些岩石中测量到的氦，可能在1亿年前或更早的时候“逃离”了地核。

不过，霍顿说，从地核“泄漏”的氦不会对地球造成任何负面影响。由于这种惰性气体不会与物质发生化学反应，因此也不会对人类或环境产生影响。

地核是碳和氢等元素的主要储存库吗？这些元素是否对于行星的宜居性非常重要？如果是，那么这些来自核心的元素在地球历史上的演变是否影响了地球的演化？这些问题仍有待科学家一一解答。

也许有一天，氦-3将成为一种足够有价值的潜在资源，以激励更多的探矿者在月球等其他星球上进行开采。与此同时，霍顿等科学家渴望了解地球上极其稀缺的氦-3的起源和影响，这可为理解我们脚下2900千米深处的神秘核心提供全新的视角。