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地核和地幔:一场持续了数十亿年的物质交换

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文章来源:原理 (ID:principia1687)

地球磁场会阻止来自太空(包括太阳在内)的有害高能粒子抵达地球,从而对地球起到保护作用,使地球成为了一个宜居的星球。地球的磁场来源于地球中心的核心。然而,对地核的研究是非常难以进行的,部分原因是由于它的起始深度约为2900千米,如此深的深度使得我们无法对其进行取样和直接调查。

在一篇发表于Geochemical Perspective Letters的论文中,一个国际合作的研究团队发现了一种获取地核信息的方法。

一个高温炼狱

地核是地球上最热的部分,外核的温度就已经超过了5000℃。这必然会影响覆盖在核心之上的地幔,据估计,50%的火山热量来自地核。

火山活动是地球主要的冷却机制。某些火山活动可能与地核有关,比如在夏威夷和冰岛上仍在形成的火山岛,因为地幔柱会将热量从地核转移到地球表面。

然而,一个几十年来一直争论不休的话题是,在地核和地幔之间是否存在物质交换?

新的发现表明,一些地核物质确实会转移到地幔柱的底部,而在过去的25亿年里,地核一直在向外泄漏这些物质。这一点是通过测量在钨(W)元素的同位素比例上出现的微小变化而发现的。

为了研究地核,研究人员从深部地幔形成的火山岩中寻找地核物质的化学示踪剂。我们知道地核有非常独特的化学成分,主要由铁和镍以及溶解在铁镍合金中的钨、铂,还有金等元素组成。因此,这些亲金属合金的元素是研究地核痕迹的优异选择。

寻找钨的同位

钨元素具有74个质子,它有几种不同的同位素,包括钨-182(含108个中子)和钨-184(含110个中子)。钨的这些同位素可以成为确定地核物质的最确凿示踪剂,因为按照预计,地幔里的钨-182与钨-184的比值比地核中要高得多。

这是由于地幔中富含另一种地元素铪(Hf),它不溶于铁镍合金,而且还具有一种目前已不存在的同位素铪-182,这种同位素会衰变为钨-182。这导致相比于地心,地幔会获得额外的钨-182。

但是,检测钨的同位素变化是一项极其艰难的挑战,因为钨-182与钨-184比值的变化量级为百万分之几,而且岩石中钨的浓度只有亿分之几。全世界能进行这种分析的实验室不超过5个。

泄露的证据

新的研究表明,在地球的一生中,地幔中的钨-182与钨-184的比值发生了显著的变化。在地球上最古老的岩石中,钨-182与钨-184的比值远高于现代地球上的大多数岩石。地幔中钨-182与钨-184的比值变化表明,地核中的钨长期泄漏到地幔中。

有趣的是,在地球上跨越了18亿年时间的最古老的火山岩中,地幔中的钨的同位素并没有发生显著变化。这表明从43亿年前到27亿年前,很少甚至几乎没有物质从地核中转移到了上地幔。但在随后的25亿年里,地幔中钨的同位素组成便发生了明显的变化。研究人员推断,在太古宙末期,板块构造发生了变化,从大约26亿年前开始,触发了地幔中足够大的对流气流,因而改变了所有现代岩石中的钨同位素。

为什么会泄漏?

如果地幔柱是从地核与地幔的边界上升到地幔表面的,那么由此推断,地球表面的物质也必然会沉降到深部地幔中。我们用俯冲作用来描述地球表面的岩石进入到地幔,作为板块构造的一个组成部分,这个过程会将地表的富氧物质带入深部地幔之中。

实验表明,地核与地幔边界的氧浓度的增加导致钨从地核中分离出来并进入地幔。另外,地球内核的凝固也会增加地球外核的氧浓度。在这种情况下,新的研究结果可以给我们提供一些与地核演化有关的信息,例如地球磁场的起源。

最开始时,地核中完全是液态金属,随着时间的推移,它一直在冷却并导致部分凝固。磁场是由地球的固体内核的旋转产生的。而地球内核的结晶时间是地球科学和行星科学领域中最难回答的问题之一。新的研究为研究地核与地幔之间的相互作用,以及研究地球内部的动力学变化提供了一种示踪剂,这将有利于增进我们对地球磁场是如何以及何时开启的理解。

撰文:Hanika Rizo(卡尔顿大学地球科学系副教授)

David Murphy(昆士兰科技大学地球科学讲师)

Denis Andrault(克莱蒙奥弗涅大学教授)

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