深藏四十五億年的地球“時間膠囊”（科技大觀）

曾 靈

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，中國成都理工大學行星科學國際研究中心聯合美國華盛頓卡內基研究所、麻省理工學院等，在《自然·地球科學》雜志發表突破性成果：科學家首次在地球深部地幔物質中發現了大撞擊前原始地球的“化學遺跡”，表明地球內部可能保存著太陽系形成初期的“時間膠囊”。這一新發現不僅挑戰了傳統地球化學理論，還為破解太陽系早期形成之謎提供了關鍵線索。

長期以來，科學界普遍認為，誕生于45億年前的原始地球表面布滿了火山，不斷噴發熾熱巖漿，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生巨大撞擊，將地球內部熔化并混合，使其化學成分完全“重置”，原始地球的物質應不復存在。

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多個不同地區的樣本進行了分析，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果令人震驚：這些樣本與地球地幔或任何隕石的成分都對不上。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可能被保存至今，地球深部的一些區域奇跡般地未被45億年的地質活動改變。

對鉀—40同位素微小異常的高精度分析技術是這項研究的“頭號功臣”。鉀是地球上一種重要的揮發性元素以及地球生命必需的營養元素。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在太陽系中的來源非常靈敏，因此測量技術是研究的難點。成都理工大學研究員王達帶領的研究團隊采用了先進的熱電離質譜技術，并與西安交通大學合作，在自主研發的國產質譜儀器上實現了更高穩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“證據確鑿”。

研究團隊還利用數值模擬，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元素特征：大撞擊前，原始地球與其他內太陽系類地行星一樣，極度缺乏揮發性元素；而一個富集揮發性元素的天體與地球相撞，這一事件不僅形成了月球，還為現今地球帶來了將近一半的揮發性元素，很可能塑造了地球宜居環境的化學元素基礎。此外，該團隊還在2023年另一項研究中，利用這一技術分析了大量的原始隕石樣品，首次發現了這些原始隕石存在系統性的鉀—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。這一發現支持“地球的揮發性元素主要來自更靠近太陽的內太陽系”的新觀點。

盡管取得了突破，科學家們仍然面臨許多挑戰。下一步，研究團隊將嘗試在其他元素同位素體系中尋找同樣的古老信號，以交叉驗證這一發現。同時，這一發現也帶來一系列新的問題：原始地球物質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值模擬，以還原在怎樣的撞擊角度和能量強度下，原始地幔物質才能得以幸存。

研究地球鉀元素在太陽系中的起源，對于理解如何創建人類生命的宜居條件有重要意義。地球作為一個復雜的行星體，其內部結構具有深刻的“記憶效應”。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動機制。

(作者單位：成都理工大學)

《 人民日報 》( 2025年12月22日 14 版)