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圍繞年輕恒星形成行星（藝術(shù)家繪圖）。地球深處氪同位素測量顯示，水、碳和其他揮發(fā)物融入地球的時間比以前認為的更早。圖片來源：歐洲南方天文臺
美國加州大學(xué)戴維斯分校的一項新研究表示，從冰島和加拉帕戈斯群島的地質(zhì)熱點中收集到的地幔中的氪，更清晰地揭示了地球是如何形成的。這項研究12月16日發(fā)表在《自然》雜志上。
不同的氪同位素是科學(xué)家尋找地球組成成分的化學(xué)“指紋”，比如來自太陽系內(nèi)外的太陽風(fēng)粒子和隕石。相關(guān)發(fā)現(xiàn)表明，地球上的揮發(fā)性元素（如碳、水和氮等基本元素）是在地球成長中并成為一顆行星時到達地球的。這與流行的理論相矛盾，即地球的揮發(fā)性元素主要是在地球形成末期（以形成月球的大碰撞為標志）傳遞的。相反，氪同位素表明，來自寒冷的外太陽系的星子在大碎裂之前的數(shù)百萬年就曾轟擊過地球。早期地球還從太陽星云（太陽周圍的云）中吸走了塵埃和氣體，并受到了隕石的轟擊。
原始地球化學(xué)
冰島和加拉帕戈斯群島的火山熱點噴出的熔巖是由來自地幔最深處（靠近地核邊界）上升泥狀巖漿柱。這一深層元素和礦物質(zhì)與月球形成之前相比相對沒有變化，就像一個時間膠囊，記錄了超過44億年前的早期地球化學(xué)。
Mukhopadhyay的實驗室專門對地球和其他地方巖石中的稀有氣體進行精確測量。為了取樣深地幔氪，研究人員收集了羽狀熔巖熱點。這些古老的氣體在噴發(fā)的熔巖中上升到表面，當熔巖熄滅為固體時，會被困在一個玻璃基質(zhì)中，以氣泡的形式被掩埋，在一定程度上免受外界污染。
然而，Mukhopadhyay說，即使是這些氣泡中最豐富的氪同位素也只有幾億個原子，這使得它們的檢測具有挑戰(zhàn)性。Péron設(shè)計了一種用質(zhì)譜法測量地幔氪的新技術(shù)，在幾乎沒有空氣污染的環(huán)境中從巖石樣品中濃縮氪，并將其與氬和氙巧妙地分離。
“我們的研究是第一次精確測量地幔的所有氪同位素，包括最稀有的氪同位素，Kr-78和Kr-80?！彼f。
建立一個星球
研究人員發(fā)現(xiàn)，深地幔氪的化學(xué)指紋與原始的、富含碳的隕石非常相似，這些隕石可能來自太陽系寒冷的外部區(qū)域。Mukhopadhyay和其他人之前的工作發(fā)現(xiàn)，地幔深處的另一種惰性氣體——氖，來自太陽。
這兩種不同的結(jié)果表明，地幔至少有兩種不同的不穩(wěn)定來源，并在地球歷史早期就產(chǎn)生了。研究人員還注意到，與已知的隕石相比，深地幔中罕見的同位素Kr-86較少。Kr-86的缺失表明，僅是已知的隕石可能無法解釋地幔中所有的氪元素。
新結(jié)果也暗示了地球大氣是如何形成的。研究人員發(fā)現(xiàn)，地幔深處不同的氪同位素的比例與地球大氣中的同位素比例不匹配。這意味著地球大氣層中的一些氣體，包括氪等稀有氣體，在形成月球的撞擊后被送到地球。Péron說，否則，由于撞擊后的同位素平衡，地球地幔和大氣將有相同的同位素組成。
相關(guān)論文信息：
https：//doi.org/10.1038/s41586-021-04092-z
來源：中國科學(xué)報
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