地质学家发现了45亿年前的“原始地球”的第一个证据 _地球

“这可能是我们保存了原始地球材料的第一个直接证据，”Nicole Nie 说。一位艺术家的插图展示了一个充满熔岩的岩石原始地球。图片来源：麻省理工学院新闻;iStock
据麻省理工学院（Jennifer Chu）：麻省理工学院和其他地方的科学家们发现了极其罕见的“原始地球”遗迹，这些遗迹形成于大约 45 亿年前，之后一场巨大的碰撞不可逆转地改变了这颗原始行星的组成，并产生了我们今天所知的地球。他们的发现今天发表在《自然地球科学》杂志上，将帮助科学家拼凑出塑造早期地球和太阳系其他部分的原始起始成分。
数十亿年前，早期的太阳系是一个由气体和尘埃组成的漩涡盘，最终聚集并积累形成最早的陨石，这些陨石又合并形成原始地球及其邻近行星。
在这个最早的阶段，地球可能是岩石和熔岩冒泡的。然后，不到 1 亿年后，一颗火星大小的陨石在一次奇特的“巨大撞击”事件中撞击了这颗婴儿星球，彻底扰乱并融化了这颗行星的内部，有效地重置了它的化学成分。无论原始地球是由什么原始材料构成的，人们都认为已经完全改变了。
但麻省理工学院团队的调查结果表明并非如此。研究人员在古代岩石中发现了一种化学特征，这与当今地球上发现的大多数其他材料不同。其特征是钾同位素在非常古老和非常深的岩石样本中发现的微妙不平衡。该团队确定，钾失衡不可能是由地球上目前发生的任何先前重大撞击或地质过程造成的。
对样本化学成分最可能的解释是，它们一定是原地球的剩余物质，尽管早期行星的大部分地区都受到了撞击和转变，但这些物质以某种方式保持不变。
“这可能是我们保存了原始地球材料的第一个直接证据， ”麻省理工学院地球与行星科学 Paul M. Cook 职业发展助理教授 Nicole Nie 说。“我们看到了非常古老的地球的一部分，甚至在巨大的撞击之前。这很神奇，因为我们预计这个非常早期的特征会随着地球的演化而慢慢被抹去。
该研究的其他作者包括中国成都理工大学的王大、华盛顿卡内基科学研究所的史蒂文·希雷和理查德·卡尔森、瑞士苏黎世联邦理工学院的布拉德利·彼得斯以及加利福尼亚州斯克里普斯海洋学研究所的詹姆斯·戴。
一个奇怪的异常
2023年，聂和她的同事分析了从世界各地采集并仔细研究的许多主要陨石。在撞击地球之前，这些陨石可能在整个太阳系的不同时间和地点形成，因此代表了太阳系随时间变化的条件。当研究人员将这些陨石样本的化学成分与地球进行比较时，他们发现其中存在“钾同位素异常” 。
同位素是一种元素的略有不同版本，具有相同数量的质子但不同数量的中子。钾元素可以存在于三种天然同位素之一中，质量数（质子加中子）分别为 39、40 和 41 。无论在地球上发现钾的任何地方，它都以同位素的特征组合存在，其中钾 39 和钾 41 占压倒性优势。钾 40 存在，但相比之下比例微乎其微。
聂和她的同事发现，他们研究的陨石显示出与地球上大多数材料不同的钾同位素平衡。这种钾异常表明，任何表现出类似异常的物质都可能早于地球目前的成分。换句话说，在巨大的撞击重置地球的化学成分之前，任何钾失衡都将是来自原始地球的物质的强烈迹象。
“在这项工作中，我们发现不同的陨石具有不同的钾同位素特征，这意味着钾可以用作地球构建块的示踪剂， ”聂解释道。
“与众不同”
在目前的研究中，该团队寻找的钾异常迹象不是在陨石中，而是在地球内部。他们的样本包括来自格陵兰岛和加拿大的粉末状岩石，在那里发现了一些保存最古老的岩石。他们还分析了从夏威夷收集的熔岩沉积物，那里的火山从地幔（将地壳与地核分开的地球上最厚的岩石层）中带出了地球上一些最早、最深的物质。
“如果这种钾特征得以保留，我们就会想在深层时间和地球深处寻找它， ”聂说。
该团队首先将各种粉末样品溶解在酸中，然后小心地从样品的其余部分中分离出任何钾，并使用特殊的质谱仪测量钾的三种同位素的比例。值得注意的是，他们在样本中发现了一种与地球上大多数材料中发现的同位素特征不同的同位素特征。
具体来说，他们发现钾 40 同位素存在缺陷。在地球上的大多数材料中，与钾的其他两种同位素相比，这种同位素已经是微不足道的一部分。但研究人员能够辨别出他们的样本中含有的钾 40 比例甚至更小。检测到这种微小的赤字就像在桶中发现一粒棕色沙子，而不是一勺装满黄沙子一样。
研究小组发现，这些样本确实表现出钾 40 的不足，这表明这些材料“与我们今天在地球上看到的大多数材料相比是不同的”，聂说。
但这些样本会是原始地球的罕见遗迹吗？为了回答这个问题，研究人员假设情况可能确实如此。他们推断，如果原始地球最初是由这种缺乏钾 40 的材料制成的，那么这种材料中的大部分都会发生化学变化——来自巨大的撞击和随后的更小的陨石撞击——最终导致我们今天看到的钾 40 含量更高的材料。
该团队使用了每颗已知陨石的成分数据，并模拟了样本的钾 40 缺乏在这些陨石撞击和巨大撞击后将如何变化。他们还模拟了地球随着时间的推移经历的地质过程，例如地幔的加热和混合。最后，他们的模拟产生了一种与来自加拿大、格陵兰岛和夏威夷的样品相比，钾 40 含量略高的成分。更重要的是，模拟的成分与大多数现代材料的成分相匹配。
这项工作表明，钾 40 缺乏的材料很可能是原始地球遗留下来的原始材料。
奇怪的是，这些样本的特征与地质学家收藏的任何其他陨石并不精确匹配。虽然该团队之前工作中的陨石显示出钾异常，但它们并不完全是原地球样本中看到的缺陷。这意味着最初形成原始地球的任何陨石和材料都尚未被发现。
“科学家们一直试图通过结合不同陨石组的成分来了解地球的原始化学成分， ”聂说。“但我们的研究表明，目前的陨石清单并不完整，关于我们的星球来自哪里，还有很多东西需要了解。”