地核已經「泄露」了數十億年

地核的物質通過導致火山爆發的活動而泄露到地幔中，同樣的活動促使了夏威夷群島的形成。圖片來源：EPA/BRUCE OMORI/PARADISE HELICOPTERS

地球磁場能夠阻止來自太空的高能粒子，從而保護地球，並使我們的星球變得適宜居住。這個磁場的來源，便是地核。

但地核是很難研究的，因為它的深度約為2900公里，這樣的深度導致無法直接進行調查。

然而，一個國際研究小組發現了獲取地核信息的方法，並在近期發表在了《地球化學透視快報》上。

那裡很熱

地核是地球上最熱的地方，外核溫度超過5000℃。這必定會影響到上面覆蓋著的地幔，據估計，50%的火山熱量來自地核。

地球結構圖。圖片來源：Shutterstock/VRVector

火山活動是地球的主要冷卻機制。火山活動能通過地幔柱與地核相關聯，由地幔柱將熱量從地核傳遞到地球表面。

然而，地核和地幔之間是否存在物理物質的交換，是數十年來一直爭論的話題。

該研究小組的發現表明，一些地核物質確實轉移到了這些地幔柱的底部，而在過去的25億年里，地核一直在泄漏這些物質。

他們通過觀察鎢元素同位素比例的微小變化（同位素基本上是同一種元素的不同版本，只是中子數不同），發現了這一點。

為了研究地核，研究小組需要在深地幔火山岩中尋找地核物質的化學示蹤劑。

地核有著非常獨特的化學成分，以鐵、鎳、鎢、鉑和金等元素為主，這些元素會溶解在鐵鎳合金中。因此，金屬合金元素是研究地核蹤跡的最好選擇。

尋找鎢同位素

鎢，化學符號為W，作為基本元素，它有74個質子。鎢有幾個同位素，包括 182W（108個質子）和184W（110個質子）。

鎢的這些同位素最有可能成為地核材料最具決定性的示蹤劑，因為地幔中182W/184W的含量要遠高於地核。

這是由於另一個元素鉿（Hf）在起作用，它不溶於鐵鎳合金，在地幔中富集，並且有一種已經滅絕的同位素——182Hf衰變到了182W。這使得地幔相對於地核中的鎢額外增加了182W。

但是，檢測鎢同位素變化所需的分析是極具挑戰性的，因為正在研究的是182W/184W百萬分之一的比例變化，而岩石中鎢濃度低至十億分之幾十。世界上只有不到五個實驗室能夠進行這種分析。

泄露的證據

研究表明，在地球生命周期內，地幔的 182W/184W比值有顯著變化，與現代地球的大多數岩石相比，古老時期岩石的 182W/184W要高得多。

地幔的 182W/184W變化表明，鎢從地核泄露到地幔已經有一段時間了。

有趣的是，在地球最古老的火山岩中，地幔的鎢同位素沒有顯著變化。這表明，從43億到27億年前，很少或根本沒有物質從地核轉移到上地幔。

但在後來的25億年里，地幔的鎢同位素組成發生了顯著的變化。研究人員推斷，大約26億年前，在太古宙末期，板塊構造的變化觸發了地幔中足夠大的對流，因此改變了所有現代岩石的鎢同位素。

為什麼會泄露？

如果地幔柱從地核-地幔邊界上升到地表，那麼由此推斷，地球表面的物質也必然下降到深地幔中。

俯衝作用（Subduction）是地球表面岩石下降到地幔的一個專有術語，它將地表富氧物質作為板塊構造的一個組成部分帶入深部地幔。

實驗表明，地核-地幔邊界處氧氣濃度的增加可能致使鎢從地核中分離出來，進入地幔。

另外，內核凝固也會增加外核的氧濃度。在這種情況下，新結果可以告訴我們一些關於地核演化的過程，包括地球磁場的起源。

圖像顯示了地核和地幔之間的鎢同位素比值的差異，以及地核是如何將物質泄漏到地幔柱中。圖片來源：Neil Bennett

地核最初是完全液態的金屬，隨著時間的推移，逐漸冷卻並部分凝固。磁場由內固體核心的自旋產生。內核結晶的時間是地球和行星科學中最難回答的問題之一。

該研究提供了一個示蹤劑，可用於研究地核-地幔層相互合作和地球內部動力學的變化，並可以增進我們對磁場產生方式和產生時間的理解。

蝌蚪五線譜編譯自cosmosmagazine，譯者 李彤馨，轉載須授權

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