地球核心已经泄漏了25亿年,科学家也不知道原因

地球核心已经泄漏了25亿年,科学家也不知道原因

地球的核心深埋于地表下方3000公里的地方,一直可以延伸至地表下方6400公里之处。在地核中,大部分的物质组成为铁,还有一部分为镍。由于地核非常深,而且温度又高达几千度,人类目前没有能力钻到那里,所以我们对地核的了解非常有限。

最近有一项研究[1]表明,炽热的地核并不“孤独”,它与其他层混在一起。研究发现,地球最深处的部分物质会泄漏到地幔柱中,并且其中一些最终会到达地球表面。

地质学家表示,这一发现有助于解决几十年来一直争论不休的一个地质学问题:地核和地幔是否交换了物质。事实表明,在过去25亿年里,地球核心一直在向地幔泄漏出物质。

研究地核并不容易,因为它开始于地下3000公里的深处。人类以科学探测为目的所挖出的最深坑洞是科拉超深钻孔,深度仅为12.3公里,这仍然没有挖出地壳到达地幔。

虽然科学家无法挖到地核中,但元素周期表中的第74号元素——钨(W)会告诉我们地球内部的情况。钨是一种亲铁元素,能够与铁共生。因此,地球核心中含有一些钨也就不足为奇了,因为地核主要由铁构成。

在自然界中,钨存在五种同位素(同种元素的原子核中包含不同的中子数),其中包括钨-182(中子数为108个)和钨-184(中子数为110个)。研究人员意识到,这些同位素可以帮助他们解决地核泄漏的问题。

另一种元素,铪(Hf),是一种亲石元素,这意味着它能与岩石共生,可以在地球上富含硅酸盐的地幔中找到。铪的放射性同位素铪-182的半衰期为890万年,它衰变为钨-182。科学家推断,这意味着地幔应该比地核拥有更多的钨-182。

由于玄武岩来自地幔柱,根据洋岛玄武岩中的钨-182/钨-184比例,可以检测到地核和地幔柱之间的化学交换。不过,钨的这种差别极小,地幔和地核中的钨-182的成分预计只有大约200 ppm的差别,世界上只有寥寥几个实验室能做这种分析。

结果表明,在地球的演化进程中,地幔中钨-182与钨-184的比例发生了很大的变化。地球上最古老岩石的钨-182/钨-184的比例比大多数现代岩石都要高,这意味着地核中的钨长时间泄漏到地幔中。

地球大约在45亿年前形成,但地球上最古老地幔岩石中钨的同位素并没有发生任何显著的变化。这表明,从43亿年前到27亿年前,地核和上地幔之间几乎没有物质交换。

但在过去的25亿年里,地幔中的钨同位素组成发生了巨大的变化,为什么会这样呢?

地质学家认为,如果地幔柱从地核-地幔边界升起,那么,这可能就像跷跷板一样,来自地球表面的物质会进入地幔深处。这种表面物质含有氧元素,它会对钨产生影响。于是,地球深处的氧浓度上升之后,可能会迫使地核中钨的迁移到地幔中。

参考文献

[1] H. Rizo, D. Andrault, N.R. Bennett, et al., W-182 evidence for core-mantle interaction in the source of mantle plumes, Geochemical Perspectives Letters, 2019, 11, 6-11.

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