原始地球与一颗火星大小的天体大碰撞假想图。资料图片
近期，中国成都理工大学行星科学国际研究中心联合美国华盛顿卡内基研究所、麻省理工学院等，在《自然·地球科学》杂志发表突破性成果：科学家首次在地球深部地幔物质中发现了大撞击前原始地球的“化学遗迹”，表明地球内部可能保存着太阳系形成初期的“时间胶囊”。这一新发现不仅挑战了传统地球化学理论，还为破解太阳系早期形成之谜提供了关键线索。
长期以来，科学界普遍认为，诞生于45亿年前的原始地球表面布满了火山久联优配，不断喷发炽热岩浆，天空可能被浓厚的火山灰和有毒气体笼罩。如果用颜色来形容，它像是暗红色、黑色和橙黄色的混合体，是一个不断翻腾的“岩浆海洋”。这个阶段的地球非常贫瘠，由于温度极高，像水、碳、氮、钾等难以留存。而在地球形成后不到1亿年，一颗火星大小的天体与它发生巨大撞击，将地球内部熔化并混合，使其化学成分完全“重置”，原始地球的物质应不复存在。
那么，地球的“五脏六腑”真的在那场浩劫中被完全熔融均化了吗？研究团队将目光投向了代表地球深部的特殊岩石。他们对全球20多个不同地区的样本进行了分析，其中来自格陵兰、加拿大和南非等地的古老岩石，以及夏威夷海底火山和留尼汪岛火山岩的分析结果令人震惊：这些样本与地球地幔或任何陨石的成分都对不上。样本普遍存在钾—40同位素轻微缺失，这与原始地球的独有特征相符。这意味着原始地球的物质可能被保存至今，地球深部的一些区域奇迹般地未被45亿年的地质活动改变。
对钾—40同位素微小异常的高精度分析技术是这项研究的“头号功臣”。钾是地球上一种重要的挥发性元素以及地球生命必需的营养元素。钾元素存在三种同位素，其中钾—40在钾元素中的天然占比极其微小（仅有约0.01%），其同位素相对丰度对追踪行星组成物质在太阳系中的来源非常灵敏，因此测量技术是研究的难点。成都理工大学研究员王达带领的研究团队采用了先进的热电离质谱技术，并与西安交通大学合作，在自主研发的国产质谱仪器上实现了更高稳定性和灵敏度的测量，首次在地球样本中探测到钾—40的同位素差异，它非常微小但“证据确凿”。
研究团队还利用数值模拟，还原了地球在大撞击前后的钾—40同位素的变化，显示了大撞击的化学元素特征：大撞击前，原始地球与其他内太阳系类地行星一样，极度缺乏挥发性元素；而一个富集挥发性元素的天体与地球相撞，这一事件不仅形成了月球，还为现今地球带来了将近一半的挥发性元素，很可能塑造了地球宜居环境的化学元素基础。此外，该团队还在2023年另一项研究中，利用这一技术分析了大量的原始陨石样品，首次发现了这些原始陨石存在系统性的钾—40同位素差异，明确了太阳系早期存在钾同位素的空间分布梯度——越靠近太阳，钾—40相对越少，与地球的值越接近。这一发现支持“地球的挥发性元素主要来自更靠近太阳的内太阳系”的新观点。
尽管取得了突破，科学家们仍然面临许多挑战。下一步，研究团队将尝试在其他元素同位素体系中寻找同样的古老信号，以交叉验证这一发现。同时，这一发现也带来一系列新的问题：原始地球物质如何在大碰撞中幸存下来，又如何逃脱45亿年的地幔对流混合？我们需要寻找更精确的数值模拟，以还原在怎样的撞击角度和能量强度下，原始地幔物质才能得以幸存。
研究地球钾元素在太阳系中的起源久联优配，对于理解如何创建人类生命的宜居条件有重要意义。地球作为一个复杂的行星体，其内部结构具有深刻的“记忆效应”。钾—40同位素的精确测量，有望成为类地行星起源与演化研究的新钥匙。借助这把新钥匙，科学家们不仅可以深入探索行星的起源及其早期演化史，还有助于寻求地球长期宜居条件形成的驱动机制。
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