氪同位素：地球生命元素早期故事的敘說(shuō)者

編譯 許林玉

自誕生以來(lái)，我們的星球一直從多個(gè)來(lái)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(shí)，這些火山島也為我們提供了一個(gè)窗口，讓我們得以窺見(jiàn)這個(gè)星球更深遠(yuǎn)的過(guò)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)，盡管速度很慢，因?yàn)闃?gòu)造板塊會(huì)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?cè)诘厍虮砻婵吹降膸缀跛惺挛锒寂c地球的成分均值無(wú)關(guān)。

但這種混合方式對(duì)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(méi)有受到地質(zhì)作用的干擾。如同我們?cè)诩永粮晁谷簫u、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(shí)，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(huì)，以揭示嬰兒時(shí)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(xiàng)研究時(shí)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(lái)分析一些原始地幔樣本中的氪——一種僅占萬(wàn)億分之一的元素。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了氪本身，還對(duì)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?yàn)檫@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(huì)形成低沸點(diǎn)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(wú)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(shí)存在大量揮發(fā)性元素，而且它們一定來(lái)自某個(gè)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(lái)由彗星攜帶而來(lái)。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?cè)谟钪嫫渌胤奖粡?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(lái)源中以不同的比例存在。例如，如果一個(gè)特定的氪樣本的同位素組成與在太陽(yáng)風(fēng)中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)相匹配，那么這至少是氪來(lái)自太陽(yáng)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(gè)數(shù)量級(jí)：一個(gè)質(zhì)量為4克的典型地幔材料樣本可能只有幾十萬(wàn)個(gè)氪-78原子。此外，它容易受到污染?；鹕綆r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(gè)問(wèn)題的方法。她會(huì)一次粉碎少量樣品，然后對(duì)每一次釋放的氣體單獨(dú)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(huì)將其排除在測(cè)量之外。否則，她就會(huì)將它們保存起來(lái)。

但培隆無(wú)法僅憑氪氣就妄下定論。每個(gè)階段釋放的氪太少，無(wú)法單獨(dú)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(lái)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(shí)釋放的氖與預(yù)期的地幔中的氖組成相匹配時(shí)，培隆才會(huì)將在同一步驟中釋放的氪保存下來(lái)。

逐步分析需要很長(zhǎng)時(shí)間——單個(gè)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(jì)出原始地幔的氪組成。

培隆與其同事對(duì)加拉帕戈斯和冰島的測(cè)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(duì)不僅僅由大氣中的氪回收而來(lái)。其次，反過(guò)來(lái)說(shuō)，大氣中的氪——以及其他揮發(fā)性元素——也不可能僅僅來(lái)自原始地幔的脫氣。在誕生后的晚些時(shí)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(cè)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(yáng)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(jiàn)的碳質(zhì)球粒隕石和Q相。前者源自太陽(yáng)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(lái)自上述兩種來(lái)源，因?yàn)榕c氪-86的含量不匹配。這種差異有點(diǎn)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(guò)r過(guò)程（即快速中子捕獲），而不是 s 過(guò)程（即慢中子捕獲）。形成太陽(yáng)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(guò)程比其他恒星更強(qiáng)烈。如果恒星的殘骸沒(méi)有得到很好地混合，那么形成地球的圓盤部分可能相對(duì)富含s過(guò)程物質(zhì)。此外，氪與其他元素表現(xiàn)出相同的異?，F(xiàn)象，這似乎表明，地球在吸收非揮發(fā)性元素的同時(shí)，從同一來(lái)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(gè)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(méi)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(lái)，培隆計(jì)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(lái)源 Physics Today