編譯 許林玉

自誕生以來，我們的星球一直從多個來源集聚揮發(fā)物。

加拉帕戈斯群島具有非凡的生物多樣性，這極大地激發(fā)了查爾斯·達(dá)爾文（Charles Darwin）的靈感，幫助他構(gòu)建了關(guān)于地球生命進(jìn)化的理論。同時，這些火山島也為我們提供了一個窗口，讓我們得以窺見這個星球更深遠(yuǎn)的過往。島上的火山位于地幔柱頂端，將地幔深處的物質(zhì)引導(dǎo)到地球表面。在地球46億年的歷史長河中，被地幔柱抽出的地幔部分異常停滯了。

隨著地質(zhì)年代的推移，地殼及大部分地幔都在不斷地運動，盡管速度很慢，因為構(gòu)造板塊會從地殼循環(huán)到地幔，如此往復(fù)。就像黃油的翻騰一樣，地球上最厚的地層翻騰并不是為了使其成分均勻，而是根據(jù)它們的密度、揮發(fā)性和化學(xué)性質(zhì)將其分開。因此，我們在地球表面看到的幾乎所有事物都與地球的成分均值無關(guān)。

但這種混合方式對地幔的某些部分似乎不起作用。相反，至少在地球歷史的前1億年，它們一直沒有受到地質(zhì)作用的干擾。如同我們在加拉帕戈斯群島、冰島和其他一些火山巖區(qū)看到的那樣，當(dāng)這些原始物質(zhì)的碎片輾轉(zhuǎn)到達(dá)地表時，它們?yōu)榭茖W(xué)家們提供了一次回顧地球歷史的寶貴機(jī)會，以揭示嬰兒時期的地球最初的構(gòu)造成分。

如今，桑德里娜·培隆（Sandrine Péron，開展此項研究時為加州大學(xué)戴維斯分校博士后，現(xiàn)任職于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）與其同事已經(jīng)使用一種新開發(fā)的技術(shù)來分析一些原始地幔樣本中的氪——一種僅占萬億分之一的元素。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了氪本身，還對碳、氫、氮和氧等所有生命組成元素進(jìn)行了闡釋。

地幔指紋

早期地球終日炎炎，因為這顆年輕的行星經(jīng)常與尚未離開其軌道的小行星發(fā)生高能碰撞。另一方面，生命元素往往會形成低沸點化合物，如甲烷、氨和水。在這樣的環(huán)境中，這些揮發(fā)性物質(zhì)似乎無法停留太久——如果它們一開始就能凝結(jié)的話。

顯然，地球上確實存在大量揮發(fā)性元素，而且它們一定來自某個地方。它們并非源自地球上發(fā)生的核反應(yīng)，所以它們要么是地球原始成分的一部分，要么是后來由彗星攜帶而來。了解地球如何獲得其揮發(fā)性物質(zhì)，可以幫助研究人員了解地球的環(huán)境是否正常，也許還有助于了解它們在宇宙其他地方被復(fù)制的可能性有多大。

這正是氪的作用所在。作為一種氣態(tài)元素，其物理性質(zhì)與其他揮發(fā)性元素相似，因此它很可能與它們一起冷凝和脫氣。氪的六種天然同位素在不同的可能來源中以不同的比例存在。例如，如果一個特定的氪樣本的同位素組成與在太陽風(fēng)中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)相匹配，那么這至少是氪來自太陽的間接證據(jù)。

氪相關(guān)研究工作面臨的挑戰(zhàn)在于，這種物質(zhì)的含量太少了。該元素本身已經(jīng)足夠稀有，但其最不豐富的同位素的含量要比它低兩到三個數(shù)量級：一個質(zhì)量為4克的典型地幔材料樣本可能只有幾十萬個氪-78原子。此外，它容易受到污染。火山巖中夾帶的氣體可能是原始地幔氣體的氣泡，也可能是噴發(fā)后進(jìn)入熔巖的空氣。任何特定的樣本都可能含有這兩種物質(zhì)，但具體數(shù)量未知，而此前分析地幔氪的努力一直受到大氣污染的阻礙。

培隆找到了解決這個問題的方法。她會一次粉碎少量樣品，然后對每一次釋放的氣體單獨進(jìn)行分析。如果這些氣體顯示出已被空氣污染的跡象，她會將其排除在測量之外。否則，她就會將它們保存起來。

但培隆無法僅憑氪氣就妄下定論。每個階段釋放的氪太少，無法單獨分析。而且在地幔中的氪組成尚不明確的情況下，不可能知道大氣中氪的含量有多少（如果有的話）。于是，她轉(zhuǎn)而研究含量更豐富的氖氣。由于只有三種天然同位素，氖在區(qū)分多種可能來源方面效果不佳。但是，地幔中的氖和大氣中的氖的同位素組成均已為人知，而且它們差異巨大。所以只有當(dāng)某一次粉碎樣品時釋放的氖與預(yù)期的地幔中的氖組成相匹配時，培隆才會將在同一步驟中釋放的氪保存下來。

逐步分析需要很長時間——單個樣本大約需要一周——并且需要丟棄一半到2/3的數(shù)據(jù)。但與以前相比，它能更好地估計出原始地幔的氪組成。

培隆與其同事對加拉帕戈斯和冰島的測量結(jié)果完全匹配。結(jié)果顯示，地幔中的氪明顯不同于空氣中的氪。這種差異性首先意味著地幔中的氪絕對不僅僅由大氣中的氪回收而來。其次，反過來說，大氣中的氪——以及其他揮發(fā)性元素——也不可能僅僅來自原始地幔的脫氣。在誕生后的晚些時候，地球一定從其他地方獲得了另一批揮發(fā)性物質(zhì)。

新的地幔測量結(jié)果表明，在六種同位素中，有五種同位素（氪-86除外）與一類被稱為球粒隕石的隕石合理匹配，而球粒隕石被認(rèn)為是太陽系典型的原始組成部分。兩種球粒隕石的氪同位素組成分別是：常見的碳質(zhì)球粒隕石和Q相。前者源自太陽系外的球粒隕石，揮發(fā)物更容易在上面凝結(jié)；后者是一種特征不明顯的材料，可攜帶在多種隕石中發(fā)現(xiàn)的大部分重惰性氣體。

但地球地幔中的氪不可能直接來自上述兩種來源，因為與氪-86的含量不匹配。這種差異有點令人困惑，但它有可能為我們提供了一條線索。在至少八種其他元素（包括鈣、鈦和鎳）中，也觀察到了類似的異?，F(xiàn)象——具體而言，就是地幔中缺乏某種元素中最富含中子的同位素。然而，氪是第一種被發(fā)現(xiàn)遵循該模式的揮發(fā)性元素。

富含中子的同位素在恒星中形成主要是通過r過程（即快速中子捕獲），而不是 s 過程（即慢中子捕獲）。形成太陽系的原行星盤可能利用了幾顆不同恒星的殘骸——其中一些恒星的 r過程比其他恒星更強(qiáng)烈。如果恒星的殘骸沒有得到很好地混合，那么形成地球的圓盤部分可能相對富含s過程物質(zhì)。此外，氪與其他元素表現(xiàn)出相同的異常現(xiàn)象，這似乎表明，地球在吸收非揮發(fā)性元素的同時，從同一來源獲得了存在于早期的氪和其他揮發(fā)性物質(zhì)。

如果這個解釋是正確的，那么應(yīng)該有一些隕石——形成地球的原行星盤的同一部分的殘余物——像地幔一樣，不含氪-86。然而，目前還沒有發(fā)現(xiàn)這種隕石，但關(guān)于隕石中氪同位素的數(shù)據(jù)少之又少。

接下來，培隆計劃將她的分析技術(shù)應(yīng)用于不同類型的隕石，看看她是否能找到一種氪組成與地球六種同位素都匹配的隕石。

資料來源 Physics Today