原標(biāo)題：深藏四十五億年的地球“時間膠囊”(科技大觀)

原始地球與一顆火星大小的天體大碰撞假想圖。資料圖片

近期，中國成都理工大學(xué)行星科學(xué)國際研究中心聯(lián)合美國華盛頓卡內(nèi)基研究所、麻省理工學(xué)院等，在《自然·地球科學(xué)》雜志發(fā)表突破性成果：科學(xué)家首次在地球深部地幔物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了大撞擊前原始地球的“化學(xué)遺跡”，表明地球內(nèi)部可能保存著太陽系形成初期的“時間膠囊”。這一新發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)地球化學(xué)理論，還為破解太陽系早期形成之謎提供了關(guān)鍵線索。

長期以來，科學(xué)界普遍認(rèn)為，誕生于45億年前的原始地球表面布滿了火山，不斷噴發(fā)熾熱巖漿，天空可能被濃厚的火山灰和有毒氣體籠罩。如果用顏色來形容，它像是暗紅色、黑色和橙黃色的混合體，是一個不斷翻騰的“巖漿海洋”。這個階段的地球非常貧瘠，由于溫度極高，像水、碳、氮、鉀等難以留存。而在地球形成后不到1億年，一顆火星大小的天體與它發(fā)生巨大撞擊，將地球內(nèi)部熔化并混合，使其化學(xué)成分完全“重置”，原始地球的物質(zhì)應(yīng)不復(fù)存在。

那么，地球的“五臟六腑”真的在那場浩劫中被完全熔融均化了嗎?研究團(tuán)隊將目光投向了代表地球深部的特殊巖石。他們對全球20多個不同地區(qū)的樣本進(jìn)行了分析，其中來自格陵蘭、加拿大和南非等地的古老巖石，以及夏威夷海底火山和留尼汪島火山巖的分析結(jié)果令人震驚：這些樣本與地球地?；蛉魏坞E石的成分都對不上。樣本普遍存在鉀—40同位素輕微缺失，這與原始地球的獨有特征相符。這意味著原始地球的物質(zhì)可能被保存至今，地球深部的一些區(qū)域奇跡般地未被45億年的地質(zhì)活動改變。

對鉀—40同位素微小異常的高精度分析技術(shù)是這項研究的“頭號功臣”。鉀是地球上一種重要的揮發(fā)性元素以及地球生命必需的營養(yǎng)元素。鉀元素存在三種同位素，其中鉀—40在鉀元素中的天然占比極其微小(僅有約0.01%)，其同位素相對豐度對追蹤行星組成物質(zhì)在太陽系中的來源非常靈敏，因此測量技術(shù)是研究的難點。成都理工大學(xué)研究員王達(dá)帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊采用了先進(jìn)的熱電離質(zhì)譜技術(shù)，并與西安交通大學(xué)合作，在自主研發(fā)的國產(chǎn)質(zhì)譜儀器上實現(xiàn)了更高穩(wěn)定性和靈敏度的測量，首次在地球樣本中探測到鉀—40的同位素差異，它非常微小但“證據(jù)確鑿”。

研究團(tuán)隊還利用數(shù)值模擬，還原了地球在大撞擊前后的鉀—40同位素的變化，顯示了大撞擊的化學(xué)元素特征：大撞擊前，原始地球與其他內(nèi)太陽系類地行星一樣，極度缺乏揮發(fā)性元素;而一個富集揮發(fā)性元素的天體與地球相撞，這一事件不僅形成了月球，還為現(xiàn)今地球帶來了將近一半的揮發(fā)性元素，很可能塑造了地球宜居環(huán)境的化學(xué)元素基礎(chǔ)。此外，該團(tuán)隊還在2023年另一項研究中，利用這一技術(shù)分析了大量的原始隕石樣品，首次發(fā)現(xiàn)了這些原始隕石存在系統(tǒng)性的鉀—40同位素差異，明確了太陽系早期存在鉀同位素的空間分布梯度——越靠近太陽，鉀—40相對越少，與地球的值越接近。這一發(fā)現(xiàn)支持“地球的揮發(fā)性元素主要來自更靠近太陽的內(nèi)太陽系”的新觀點。

盡管取得了突破，科學(xué)家們?nèi)匀幻媾R許多挑戰(zhàn)。下一步，研究團(tuán)隊將嘗試在其他元素同位素體系中尋找同樣的古老信號，以交叉驗證這一發(fā)現(xiàn)。同時，這一發(fā)現(xiàn)也帶來一系列新的問題：原始地球物質(zhì)如何在大碰撞中幸存下來，又如何逃脫45億年的地幔對流混合?我們需要尋找更精確的數(shù)值模擬，以還原在怎樣的撞擊角度和能量強(qiáng)度下，原始地幔物質(zhì)才能得以幸存。

研究地球鉀元素在太陽系中的起源，對于理解如何創(chuàng)建人類生命的宜居條件有重要意義。地球作為一個復(fù)雜的行星體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有深刻的“記憶效應(yīng)”。鉀—40同位素的精確測量，有望成為類地行星起源與演化研究的新鑰匙。借助這把新鑰匙，科學(xué)家們不僅可以深入探索行星的起源及其早期演化史，還有助于尋求地球長期宜居條件形成的驅(qū)動機(jī)制。

（曾靈 成都理工大學(xué)）

編輯：萬林