麻省理工发现地球深处藏着一个失落世界的痕迹

数十亿年前，太阳系曾是一片广阔的旋转气体尘埃云。随着时间推移，这些物质凝聚成固态天体，形成了最初的陨石。这些陨石通过反复碰撞逐渐合并，形成了原始地球及其邻近行星。

地球诞生初期是一个熔融的、被熔岩覆盖的世界。不到1亿年后，它经历了一场灾难性事件——一颗火星大小的天体撞击了这颗年轻的行星，科学家称之为“大碰撞”。这次碰撞熔化并混合了地球内部物质，抹去了其大部分原始化学特征。几十年来，科学家们认为原始地球的任何痕迹都已在这场宇宙剧变中被彻底摧毁。

然而，麻省理工学院（MIT）团队的新研究结果挑战了这一假设。研究人员在古老的深层岩石样本中发现了一种不同寻常的化学特征，与如今地球上发现的大多数物质不同。这种特征表现为钾同位素（即质子数相同、中子数不同的同一元素原子）的轻微失衡。经过深入分析，科学家们得出结论，这种异常不可能是由后来的撞击或地球内部持续的地质过程造成的。

最合理的解释是，这些岩石保存了原始地球原始物质的微小部分，不知何故在地球剧烈的重塑过程中幸存了下来。

“这可能是我们首次发现保存下来的原始地球物质的直接证据，”MIT地球与行星科学系保罗·M·库克职业发展助理教授妮可·聂（Nicole Nie）说，“我们看到了非常古老的地球的一部分，甚至早于大碰撞时期。这很神奇，因为我们原本认为这种非常早期的特征会在地球演化过程中逐渐消失。”

聂的合著者包括中国成都理工大学的王达、美国华盛顿特区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·彼得斯以及美国加利福尼亚州斯克里普斯海洋研究所的詹姆斯·戴。

### 一个奇特的异常现象
2023年，聂和她的团队研究了从世界各地收集的大量有详细记录的陨石。这些陨石形成于太阳系不同的时间和地点，记录了数十亿年来太阳系化学组成的变化。当研究人员将它们的成分与地球的成分进行比较时，注意到了一种奇特的“钾同位素异常”。

钾在自然界中有三种同位素形式——钾-39、钾-40和钾-41——每种的原子质量略有不同。在现代地球上，钾-39和钾-41占主导地位，而钾-40的含量极低。然而，这些陨石显示出的同位素比例与地球上常见的不同。

这一发现表明，任何表现出类似钾失衡的物质都必须来自大碰撞改变地球化学组成之前就存在的物质。本质上，这种异常可以作为原始地球物质的“指纹”。

“在那项研究中，我们发现不同的陨石有不同的钾同位素特征，这意味着钾可以用作追踪地球构成物质的示踪剂，”聂解释道。

### “与众不同的构成”
在当前的研究中，团队并非在陨石中寻找钾异常迹象，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，那里有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，那里的火山将地球地幔（地球最厚的岩石层，将地壳与地核分隔开）中一些最早、最深层的物质带到了地表。

“如果这种钾特征得以保存，我们就会想在遥远的过去和地球深处寻找它，”聂说。

团队首先将各种粉末样本溶解在酸中，然后小心地从样本的其他部分中分离出钾，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物质中发现的同位素特征不同的特征。

具体来说，他们发现了钾-40同位素的缺失。在地球上的大多数物质中，与钾的其他两种同位素相比，这种同位素的含量已经微不足道。但研究人员能够辨别出他们的样本中钾-40的比例甚至更低。检测这种微小的缺失，就像在一桶沙子中发现一粒棕色沙子，而不是满满一勺黄色沙子。

团队发现，样本确实表现出钾-40的缺失，这表明这些物质“构成与众不同”，聂说，与我们今天在地球上看到的大多数物质相比。

但这些样本会不会是原始地球罕见的残余物呢？为了回答这个问题，研究人员假设情况可能如此。他们推断，如果原始地球最初是由这种钾-40缺失的物质构成的，那么大部分这种物质会经历化学变化——来自大碰撞以及随后较小的陨石撞击——最终形成了我们今天看到的钾-40含量更高的物质。

团队利用了所有已知陨石的成分数据，并模拟了这些陨石和大碰撞的撞击后，样本中钾-40缺失的变化情况。他们还模拟了地球随时间经历的地质过程，如地幔的加热和混合。最终，他们的模拟结果产生的成分中钾-40的比例略高于来自加拿大、格陵兰岛和夏威夷的样本。更重要的是，模拟的成分与大多数现代物质的成分相符。

这项研究表明，钾-40缺失的物质很可能是原始地球遗留下来的原始物质。

有趣的是，这些样本的特征与地质学家收藏的任何其他陨石都不完全匹配。虽然团队之前研究中的陨石显示出钾异常，但它们与原始地球样本中观察到的缺失并不完全相同。这意味着，最初形成原始地球的那些陨石和物质尚未被发现。

“科学家们一直试图通过结合不同组陨石的成分来了解地球的原始化学组成，”聂说。“但我们的研究表明，目前的陨石库存并不完整，关于我们的星球来自何处，还有很多东西需要学习。”

这项工作部分得到了美国国家航空航天局（NASA）和MIT的支持。