從塵埃到行星

大約46億年前，一團(tuán)塵埃和氣體云在自身引力的作用下，坍縮形成了太陽(yáng)系。在年輕太陽(yáng)的周圍環(huán)繞著一個(gè)旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤(pán)——原行星盤(pán)。盤(pán)中的塵埃和氣體不斷凝結(jié)、碰撞、匯聚，最終孕育出原地球和太陽(yáng)系中的其他天體。

剛形成的原地球與今天的地球截然不同，它的表面布滿了翻滾的巖漿。大約在地球形成后不到1億年，一顆火星大小的天體更是撞上了這顆年輕的星球——這場(chǎng)大碰撞徹底攪亂并融化了地球內(nèi)部，重新設(shè)定了它的化學(xué)構(gòu)成。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家認(rèn)為，原地球的物質(zhì)已經(jīng)被完全改變了。換句話說(shuō)，地球內(nèi)部不再保留任何早于大碰撞的“原始化學(xué)指紋”。

但在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然·地球科學(xué)》的研究中，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了極其罕見(jiàn)的原地球遺跡：他們?cè)谝恍┕爬系膸r石中發(fā)現(xiàn)了一種與現(xiàn)如今地球上的物質(zhì)截然不同的化學(xué)信號(hào)——一種極其微弱但可辨識(shí)的鉀同位素不平衡。

隕石中的“鉀異常”

同位素是指質(zhì)子數(shù)相同，但中子數(shù)不同的元素。鉀元素有三種天然同位素——鉀-39、鉀-40和鉀-41。在地球上，無(wú)論鉀出現(xiàn)在哪里，它的三種同位素都以一種穩(wěn)定的比例共存——其中鉀-39與鉀-41占主導(dǎo)，而鉀-40含量極低。

2023年，研究人員曾分析過(guò)世界各地收集的主要隕石樣本——這些隕石在墜落地球之前，可能在太陽(yáng)系的不同時(shí)期和位置形成，因此它們就像“時(shí)間膠囊”一樣，記錄了太陽(yáng)系隨時(shí)間演化的變化信息。

當(dāng)他們將這些隕石樣本的化學(xué)成分與地球進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中存在“鉀同位素異?！保弘E石中的鉀同位素比例與地球上大多數(shù)物質(zhì)的鉀同位素比例不同，而且不同類型的隕石有著不同的鉀同位素特征。這種異常表明，任何具有類似異常特征的物質(zhì)，都可能是原地球物質(zhì)仍然存在的有力證據(jù)——這些物質(zhì)形成于大碰撞徹底改寫(xiě)地球化學(xué)結(jié)構(gòu)之前。

在地球內(nèi)部尋找鉀異常

在最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)，如果這種鉀同位素不平衡特征真的被保存下來(lái)，那么它們應(yīng)該會(huì)在地球最深處留下印記。因此，這一次，他們將目光直接轉(zhuǎn)向了地球本身，而非隕石。

他們采集了來(lái)自格陵蘭和加拿大的粉末狀巖石樣本，那些地區(qū)保存著地球上最古老的巖石。他們還分析了夏威夷火山噴發(fā)的熔巖沉積物——這些巖漿從地幔深處帶出了一些地球上最早、最深的物質(zhì)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員首先用酸溶解樣品，從剩余樣品中分離出鉀元素，然后利用高精度質(zhì)譜儀測(cè)量三種鉀同位素的比例。

結(jié)果令人驚訝，他們發(fā)現(xiàn)這些樣本中的鉀-40含量偏低。在地球上，自然存在的鉀-40本就比另外兩種鉀同位素含量低，而在這項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些巖石樣品中的鉀-40含量甚至更低。

模擬揭示：確實(shí)“與眾不同”

那么，這些樣本真的是原地球的殘留物質(zhì)嗎？為了解答這個(gè)問(wèn)題，研究人員假設(shè)這些樣本確實(shí)源自于原地球，并用所有已知隕石的成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬。他們推演了這些鉀-40較低的物質(zhì)在經(jīng)歷大碰撞以及后續(xù)的一些地質(zhì)過(guò)程后的化學(xué)變化過(guò)程。

結(jié)果顯示，與格陵蘭、加拿大與夏威夷的樣品相比，模擬產(chǎn)生的鉀-40含量略高一些，但與現(xiàn)代地球上大多數(shù)物質(zhì)的組成相符。

基于這些結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)，這種鉀同位素不平衡特征，不可能由目前已知的任何地質(zhì)過(guò)程或撞擊事件造成。換句話說(shuō)，這些缺乏鉀-40的樣本中，很可能保留著地球最早期、尚未被完全混合的原地球成分。也就是說(shuō)，這或許是首個(gè)直接證據(jù)，表明地球內(nèi)部至今仍保存著源自原地球的物質(zhì)。

仍知之甚少

更令人好奇的是，這些樣品的鉀同位素特征與任何已知隕石都不完全匹配。換言之，孕育地球的最初原料，可能至今仍未在隕石中被發(fā)現(xiàn)。這也意味著，關(guān)于地球最初的構(gòu)成，我們?nèi)杂性S多謎團(tuán)尚待解開(kāi)。

#參考來(lái)源：

https://news.mit.edu/2025/geologists-discover-first-evidence-45-billion-year-old-proto-earth-1014

https://www.nature.com/articles/s41561-025-01811-3

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Alex-Prado / Pixabay