發現來自地球超深處的「史前鑽石」,保留地球 45 億年前原始元素

作者 | 發布日期 2019 年 08 月 19 日 14:14 | 分類 環境科學 , 自然科學 follow us in feedly


我們如今當然認不出原始地球曾有哪些地貌,但科學家長期懷疑地底深處有個神祕岩石層,保留了這顆星球混亂過去的蛛絲馬跡。最近,科學家找到幾乎和地球一樣老的「史前鑽石」,有力證明神祕岩石層的存在,或藏有地球最原始面貌的線索。

地球構造分為地殼、地函及地核,其中地函又再分成上部地函、過渡帶及下部地函。長期以來,科學家懷疑過渡帶中有個特殊區域,包含地球形成以來相對不受干擾的原始岩石層,成分幾乎沒怎麼變過。然而到目前為止,都沒有確鑿證據表明岩石層是否存在、確切在多深處。

直到最近,澳洲國立大學(ANU)領導的國際團隊,分析提取自巴西茹伊納地區礦井的鑽石氦同位素,發現這些鑽石極為古老,很可能就來自這個神祕岩石層──位於地表下方 410~660 公里深處。

多數鑽石形成於地下 150~230 公里,透過熔融物質運送到地表;但偶爾,會有一些形成於地下 230~800 公里的「超深」鑽石被帶到地面,後者與淺層鑽石有明顯差異,雖然沒有打磨後的珠寶那麼璀璨,但它們的價值來自可提供地球過去的化學訊息。

具體來講,新發現的深層鑽石含有兩種氦同位素:氦-3、氦-4,這些成分可證明部分地函已被「隔離」數十億年。

氦-3 是很穩定的同位素(不容易衰變成其他元素),原子核由 2 個質子和 1 個中子組成,在核融合反應爐是非常有潛力的燃料,因為純氦-3 融合熱核反應只會產生沒有放射性的質子,故使用氦-3 為能源不會產生輻射,不會為環境帶來危害。

然而地球自形成以來就沒有再產生新的氦-3,跑到地表的氦-3 都會逃逸到外太空,所以地表氦-3 含量極少,相對豐度僅 0.000137%,無法大規模當作能源用途──倒是月球表面的風化層被認為富含大量氦-3,估計含 100 萬噸以上,所以你知道為什麼大家熱中去月球採礦了嗎?

氦-4 則是天然氦中最豐富的同位素,相對豐度 99.999863%,且可經由放射性衰變產生,因此科學家相信在地球,理應會找到更多氦-4 而不是氦-3。

某些熔岩發現異常高比例的氦-3

然而 1980 年代左右,科學家從某些玄武岩熔岩發現,氦-3 同位素的比例遠遠超過預期。與氦-4 相比,氦-3 比例相對較多的物質必須形成於早期地球,且已和地表隔絕很長一段時間方能避免逸散,於是科學家推測熔岩很可能從地球深處某個儲層,攜帶這種過去 40 億年來都沒太大變化的元素上升。

研究團隊分析的這批新深層鑽石中,氦-3 含量最高的金剛石氦-3、氦-4 比例約為 1:14,300,你可能覺得比例看起來還是很懸殊,但其實已比空氣中氦-3、氦-4 的比例高出約 50 倍(空氣比例僅 1:714,000)。

超深層鑽石的氦-3 出乎意料的豐度表明,大量氦-3 很可能就被鎖在過渡帶不受干擾的岩石層。研究主要作者、地球科學家 Suzette Timmerman 表示,不確定出於何種原因,但要讓今天的我們看到這些成分,表明自地核與地函分離以來,該岩石層從未與地函其他部分或地殼下降的物質混合。

現在,幾乎可以肯定這個與地球一樣老的岩石層存在,但科學家還是不知道它有多大、是否均勻分佈在更深層地函。新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:Graham Pearson/澳洲國立大學

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