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神秘氣體正從地核“泄漏”

2023-11-10 科技日報 張佳欣
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加拿大最大的島嶼巴芬島擁有崎嶇的山脈和陡峭的懸崖。研究人員首次在巴芬島火山巖中檢測到高比例的氦-3和氦-4。圖片來源:前沿加拿大官網

地球可能正在“漏氣”。

近日,一篇發表在《自然》雜志上的研究顯示,科學家在位于加拿大巴芬島的火山巖里檢測到了“驚人數量”的稀有氦同位素:氦-3,這一發現為“惰性氣體正在從地核‘泄漏’”提供了有力證據。研究團隊指出,在陸地上發現如此高含量的氦-3是一個重大發現。

除了氦-3,研究人員還在巖石中檢測到了氦-4。相對來說,氦-4在地球上比較常見,而氦-3則更容易在宇宙中(除地球外)的其他地方被發現,再加上此次在巴芬島發現的氦-3含量較高,地球神秘的核心以其“怪異的”行為再次讓科學家感到困惑。

發現“科學寶藏”

巴芬島位于努納武特地區,是加拿大最大的島嶼,也是世界第五大島嶼。美國有線電視新聞網(CNN)報道稱,此次,研究人員首次在巴芬島火山巖中檢測到高比例的氦-3和氦-4。

行星的組成反映了構成它的元素。2022年,發表在《美國地球物理聯盟雜志》的一項研究就已指出,氦-3從地核中“泄漏”支持了一種流行的理論,即我們的星球起源于太陽星云,其中就含有氦-3元素。

新研究主要作者、美國伍茲霍爾海洋研究所地球化學家福雷斯特·霍頓團隊決定在此基礎上更進一步。他們于2018年在巴芬島進行了研究,調查了數百萬年前格陵蘭和北美分裂時噴發的熔巖,這些巖石可能包含關于“鎖定”在地核和地幔中物質的信息。

霍頓表示,這里的每一塊巖石都是有待發掘的珍貴的“科學寶藏”。許多熔巖中充滿了亮綠色的橄欖石。

每100萬個氦-4原子中只有一個氦-3原子存在。而根據研究團隊的測量,每克橄欖石晶體中約有1000萬個氦-3原子。氦-3和氦-4的測量值比之前研究報告的要高得多,大約比地球大氣中的比例高50倍。這表明,它們可能是在太陽系形成過程中從太陽星云“繼承”而來的氣體,在地球上的保存狀況比之前想象的要好,這對于了解地球的形成及其深層內部尤其重要。

了解地球內部的線索

氦-3是氦的一種同位素,只有一個中子。它是應用于核聚變反應的一種很有前途的燃料,氦-3也是地球的一種原始成分,研究氦-3有助于了解地核的關鍵過程,例如地球磁場的產生等,它在地球上生命的出現中發揮了重要作用。

但是,氦-3最初是如何進入巖石的呢?答案或許可以追溯到大爆炸,當它塑造宇宙時,也釋放出大量的氫和氦。隨著時間的推移,這些元素被“嵌入”到了星系的形成中。

科學家認為,大約46億年前,一個由氣體和塵埃組成的巨大星云坍塌,形成了我們的太陽系。該星云中的一種氣體是氦,它是宇宙中僅次于氫的第二豐富元素。隨著地球的形成,在太陽風上流動的氦-3和氦-4被“困”在了正在冷卻的行星的礦物中。隨著較重的元素和礦物下沉到底部,這些被捕獲的氦被輸送到地球的核心,在那里它以原始形式被“鎖定”。

地球不足以容納一定數量的氦。任何沒有被形成中的地球“捕獲”的物質,或者后來隨礦物在地幔中融化,抑或由于巨大的撞擊而釋放出來,最終都會滲入地表,或漂浮到太空中。因此,氦在地球上相對稀少,氦-3更是如此。

然而,研究人員在巴芬島的火山巖中發現了大量的氦-4和氦-3。研究人員表示,這表明熔巖起源于地幔柱,該地幔柱從地球深處升起,填補了地殼分裂期間產生的間隙。地幔羽流是極熱巖漿的區域,羽流穿過地幔和地殼上升,可將地核中的氦帶到地表,最終在巴芬島“泄漏”。

霍頓表示,在火山噴發期間,巖漿中的絕大多數氣體逃逸到了大氣中。因此,只有噴發前生長的橄欖石晶體“捕獲”和保存了地球深處的氦。

不會對人類造成影響

這項新研究支持了氦-3正在從地核“泄漏”的觀點,但研究人員并不確定這一過程是從什么時候開始的。

霍頓表示,巴芬島的熔巖大約有6000萬年的歷史,而地幔羽流的上升可能需要數千萬年的時間。因此,他們在這些巖石中測量到的氦,可能在1億年前或更早的時候“逃離”了地核。

不過,霍頓說,從地核“泄漏”的氦不會對地球造成任何負面影響。由于這種惰性氣體不會與物質發生化學反應,因此也不會對人類或環境產生影響。

地核是碳和氫等元素的主要儲存庫嗎?這些元素是否對于行星的宜居性非常重要?如果是,那么這些來自核心的元素在地球歷史上的演變是否影響了地球的演化?這些問題仍有待科學家一一解答。

也許有一天,氦-3將成為一種足夠有價值的潛在資源,以激勵更多的探礦者在月球等其他星球上進行開采。與此同時,霍頓等科學家渴望了解地球上極其稀缺的氦-3的起源和影響,這可為理解我們腳下2900千米深處的神秘核心提供全新的視角。

打印 責任編輯:梁春雨

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