美國加州大學戴維斯分校的一項新研究表示，從冰島和加拉帕戈斯群島的地質熱點中收集到的地幔中的氪，更清晰地揭示了地球是如何形成的。這項研究12月16日發表在《自然》雜誌上。
圍繞年輕恆星形成行星（藝術家繪圖）。地球深處氪同位素測量顯示，水、碳和其他揮發物融入地球的時間比以前認為的更早。圖片來源：歐洲南方天文台
不同的氪同位素是科學家尋找地球組成成分的化學“指紋”，比如來自太陽系內外的太陽風粒子和隕石。相關發現表明，地球上的揮發性元素（如碳、水和氮等基本元素）是在地球成長中並成為一顆行星時到達地球的。這與流行的理論相矛盾，即地球的揮發性元素主要是在地球形成末期（以形成月球的大碰撞為標誌）傳遞的。相反，氪同位素表明，來自寒冷的外太陽系的星子在大碎裂之前的數百萬年就曾轟擊過地球。早期地球還從太陽星雲（太陽周圍的雲）中吸走了塵埃和氣體，並受到了隕石的轟擊。
原始地球化學
冰島和加拉帕戈斯群島的火山熱點噴出的熔岩是由來自地幔最深處（靠近地核邊界）上升泥狀岩漿柱。這一深層元素和礦物質與月球形成之前相比相對沒有變化，就像一個時間膠囊，記錄了超過44億年前的早期地球化學。
Mukhopadhyay的實驗室專門對地球和其他地方岩石中的稀有氣體進行精確測量。為了取樣深地幔氪，研究人員收集了羽狀熔岩熱點。這些古老的氣體在噴發的熔岩中上升到表面，當熔岩熄滅為固體時，會被困在一個玻璃基質中，以氣泡的形式被掩埋，在一定程度上免受外界污染。
然而，Mukhopadhyay說，即使是這些氣泡中最豐富的氪同位素也只有幾億個原子，這使得它們的檢測具有挑戰性。Péron設計了一種用質譜法測量地幔氪的新技術，在幾乎沒有空氣污染的環境中從岩石樣品中濃縮氪，並將其與氬和氙巧妙地分離。
“我們的研究是第一次精確測量地幔的所有氪同位素，包括最稀有的氪同位素，Kr-78和Kr-80。”她說。
建立一個星球
研究人員發現，深地幔氪的化學指紋與原始的、富含碳的隕石非常相似，這些隕石可能來自太陽系寒冷的外部區域。Mukhopadhyay和其他人之前的工作發現，地幔深處的另一種惰性氣體——氖，來自太陽。
這兩種不同的結果表明，地幔至少有兩種不同的不穩定來源，並在地球歷史早期就產生了。研究人員還注意到，與已知的隕石相比，深地幔中罕見的同位素Kr-86較少。Kr-86的缺失表明，僅是已知的隕石可能無法解釋地幔中所有的氪元素。
新結果也暗示了地球大氣是如何形成的。研究人員發現，地幔深處不同的氪同位素的比例與地球大氣中的同位素比例不匹配。這意味着地球大氣層中的一些氣體，包括氪等稀有氣體，在形成月球的撞擊后被送到地球。Péron說，否則，由於撞擊后的同位素平衡，地球地幔和大氣將有相同的同位素組成。
相關論文信息：
https：//doi.org/10.1038/s41586-021-04092-z
來源：中國科學報