被天体撞上的后果：地核“漏气”了 45 亿年，直到现在?

1903 年 5 月，在美国堪萨斯州德克斯特（Dexter）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 0.000137% 的氦格外值得关注 —— 这是氦的一种同位素，氦-3。

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。

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（Zachary 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”

前段时间，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》（Geochemistry, Geophysics, Geosystems）。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。

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。

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

参考链接：

• 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

本文来自微信公众号：环球科学 （ID：huanqiukexue），撰文：二七，审校：王昱

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