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地核已经“泄露”了数十亿年

  地球磁场能够阻止来自太空的高能粒子,从而保护地球,并使我们的星球变得适宜居住。这个磁场的来源,便是地核。

  但地核是很难研究的,因为它的深度约为2900公里,这样的深度导致无法直接进行调查。

  然而,一个国际研究小组发现了获取地核信息的方法,并在近期发表在了《地球化学透视快报》上。

  那里很热

  地核是地球上最热的地方,外核温度超过5000℃。这必定会影响到上面覆盖着的地幔,据估计,50%的火山热量来自地核。

  地核已经“泄露”了数十亿年

  地球结构图。图片来源:Shutterstock/VRVector

  火山活动是地球的主要冷却机制。火山活动能通过地幔柱与地核相关联,由地幔柱将热量从地核传递到地球表面。

  然而,地核和地幔之间是否存在物理物质的交换,是数十年来一直争论的话题。

  该研究小组的发现表明,一些地核物质确实转移到了这些地幔柱的底部,而在过去的25亿年里,地核一直在泄漏这些物质。

  他们通过观察钨元素同位素比例的微小变化(同位素基本上是同一种元素的不同版本,只是中子数不同),发现了这一点。

  为了研究地核,研究小组需要在深地幔火山岩中寻找地核物质的化学示踪剂。

  地核有着非常独特的化学成分,以铁、镍、钨、铂和金等元素为主,这些元素会溶解在铁镍合金中。因此,金属合金元素是研究地核踪迹的最好选择。

  寻找钨同位素

  钨,化学符号为W,作为基本元素,它有74个质子。钨有几个同位素,包括182W(108个质子)和184W(110个质子)。

  钨的这些同位素最有可能成为地核材料最具决定性的示踪剂,因为地幔中182W/184W的含量要远高于地核。

  这是由于另一个元素铪(Hf)在起作用,它不溶于铁镍合金,在地幔中富集,并且有一种已经灭绝的同位素——182Hf衰变到了182W。这使得地幔相对于地核中的钨额外增加了182W。

  但是,检测钨同位素变化所需的分析是极具挑战性的,因为正在研究的是182W/184W百万分之一的比例变化,而岩石中钨浓度低至十亿分之几十。世界上只有不到五个实验室能够进行这种分析。

  泄露的证据

  研究表明,在地球生命周期内,地幔的182W/184W比值有显著变化,与现代地球的大多数岩石相比,古老时期岩石的182W/184W要高得多。

  地幔的182W/184W变化表明,钨从地核泄露到地幔已经有一段时间了。

  有趣的是,在地球最古老的火山岩中,地幔的钨同位素没有显著变化。这表明,从43亿到27亿年前,很少或根本没有物质从地核转移到上地幔。

  但在后来的25亿年里,地幔的钨同位素组成发生了显著的变化。研究人员推断,大约26亿年前,在太古宙末期,板块构造的变化触发了地幔中足够大的对流,因此改变了所有现代岩石的钨同位素。

  为什么会泄露?

  如果地幔柱从地核-地幔边界上升到地表,那么由此推断,地球表面的物质也必然下降到深地幔中。

  俯冲作用(Subduction)是地球表面岩石下降到地幔的一个专有术语,它将地表富氧物质作为板块构造的一个组成部分带入深部地幔。

  实验表明,地核-地幔边界处氧气浓度的增加可能致使钨从地核中分离出来,进入地幔。

  另外,内核凝固也会增加外核的氧浓度。在这种情况下,新结果可以告诉我们一些关于地核演化的过程,包括地球磁场的起源。

  地核已经“泄露”了数十亿年

  图像显示了地核和地幔之间的钨同位素比值的差异,以及地核是如何将物质泄漏到地幔柱中。图片来源:NeilBennett

  地核最初是完全液态的金属,随着时间的推移,逐渐冷却并部分凝固。磁场由内固体核心的自旋产生。内核结晶的时间是地球和行星科学中最难回答的问题之一。

  该研究提供了一个示踪剂,可用于研究地核-地幔层相互合作和地球内部动力学的变化,并可以增进我们对磁场产生方式和产生时间的理解。

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