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《Nature》地核探秘—加拿大巴芬岛火山岩揭示地球最高氦同位素比值(3He/4He=67.2Ra)

已有 561 次阅读 2023-11-7 12:36 |个人分类:地球科学|系统分类:观点评述

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  氦是我们日常生活中常见的元素之一,但它的同位素比值(3He/4He)在地球科学研究中却具有重要意义。科学家们一直在努力探索地球深部的奥秘,而氦同位素比值的研究为我们提供了深入了解地球内部结构和演化历程的关键线索。而这项最新研究则为我们打开了一扇窥探地球内部奥秘的新窗口。

     氦有两种稳定的同位素:轻的氦-3和重的氦-4。地球氦-3主要来源于太阳风辐射的原始太阳星云物质,早期太阳系物质中含量最丰富。氦-4则主要来自地球内部的放射性衰变过程,包括岩石中的铀和钍的衰变。地球内部的岩石和矿物中持续的放射性衰变过程不断产生氦-4。这两种氦同位素通过不同的过程逐渐积累在地球内部,为研究地球深部结构和演化提供了重要线索。科学家们将大气的3He/4He比值(约1.4 x 10^-6)缩写为Ra来测量。此前,在冰岛和巴芬岛的熔岩中测量到的最高3He/4He比值为大约50 Ra。据10月18日最新一期《自然》杂志报道,巴芬岛熔岩中的比值超过了65 Ra,这为地球物质设置了一个新的记录。这项发现引发了关于地球深部内部构造的新一轮探索,突破了长期以来对地幔来源氦的传统认知。

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  科学家们推测,这些高同位素比值可能源自地核。传统观点认为高3He/4He比值来自地幔,并认为这些同位素在地球形成的早期阶段便已经存在,避免了因为巨大撞击和数十亿年地幔对流而导致的挥发作用。然而,这项新的研究结果挑战了这一观点,提出了地核也可能是高氦同位素比值的来源之一。这一研究为我们揭示了地球深部结构的复杂性,也引发了关于地球演化历程的新的思考。科学家们发现,巴芬岛火山岩中含有最高3He/4He比值的样本都来自于地球深部较为贫乏的地幔区域。这一发现意味着我们可能需要重新审视地球内部的物质循环过程,进一步探究地核与地幔之间的关系。  


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  图1. 加权平均值3He/4He比值(水平黑线)代表巴芬岛橄榄石破碎分析结果,这些结果在1个标准偏差的分析误差范围内重叠(垂直黑条),涵盖了30倍大气比值(Ra:1.384×10−6),在某些情况下甚至超过了之前在陆地火成岩中测得的最高岩浆3He/4He比值(49.8±0.7 Ra)。符号代表从橄榄石分离物中提取的单个破碎样品。在大多数情况下,加权平均3He/4He代表了同一样本中多个橄榄石分离物的多次破碎测量。黄橙色区域表示加权平均值的加权1s.e.不确定性。详见扩展数据表1中的加权平均值和补充表1中的完整氦结果。



   这些异常高的比值长期以来被认为来自地幔中的原始储层,它保留了行星完全形成之前的太阳星云氦。但这项新研究对此提出了质疑。研究者发现,含有最高氦-3的巴芬岛熔岩也具有最耗竭的化学组成,这意味着它们含有较低丰度的铀等元素。如果氦-3来自古老的原始地幔,它应该伴随着更原始的化学组成。相反,极高的氦-3水平可能起源于地球的核心。

    自地球形成以来被困在地核中的气体可能保留了非常高的3He/4He比值。地核偶尔可能会向上覆盖的地幔泄漏稀有气体,形成冰岛和巴芬岛等热点。这一核心来源放宽了地幔部分区域避免了数十亿年对流和排气的要求。它还允许地幔在地球早期历史上的更强烈混合。这些发现展示了稀有气体如何沿地幔热柱从地球深部运输到地表,分析火山热点释出的气体有望进一步洞见推动我们这个动态星球的不可及区域。


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图2.来自外核的浮力溶出的氧化物可能混合到由俯冲的贫地幔(即板墓地)组成的最下层地幔储层中。核源物质富集的地幔可能继承了核源的高3He/4He。在数千万年的时间里,地核衍生的氦可能会扩散到周围枯竭的地幔中。这两个区域——一个由地核衍生的氧化物富集,另一个由氦扩散富集——可能合并成地幔柱,就像产生巴芬岛熔岩的冰岛柱一样。

原文信息:

  • Horton, F., Asimow, P. D., Farley, K. A., Curtice, J., Kurz, M. D., Blusztajn, J., Biasi, J. A., & Boyes, X. M. (2023). Highest terrestrial 3He/4He credibly from the core. Nature, 623, 90-94


氦同位素的秘密:3He/4He同位素地球化学如何解码地球的演化历史?

    地球化学是一门研究地球化学元素及其同位素组成和分布规律的学科。而 3He和4He同位素地球化学作为地球化学领域的一个重要分支,关注着地球内部的气体组成及其变化。让我们一起来了解一下这一领域的基本概念和其在地球科学中的重要作用。

首先,3He和4He是氦元素的同位素,在地球内部,3He和4He同位素的比值可以为我们提供关于地球内部物质来源和演化的重要线索。通常情况下,3He来自太阳风和宇宙射线的剥离,而4He则是地球内部岩石放射性衰变的产物。因此,3He/4He比值可以反映不同地区地球物质的不同来源和演化历史。

3He/4He同位素地球化学在地球科学中有着广泛的应用。首先,它在地质勘探中起着关键作用。通过分析地球内部不同地区的3He/4He比值差异,我们可以了解地球板块运动、地壳演化以及岩浆活动的历史和过程。这有助于我们理解地球内部构造的形成和演化。在资源勘探领域,3He/4He同位素地球化学可以指示地下气体储藏的分布。



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 (a) 地球在形成过程中通过吸收星云大气中的氦-3并通过岩浆海运输到原始地核中;和 (b) 地核到地幔的氦-3运输以及地幔到海洋的氦-3运输(图片来源:Olson&Sharp,2022)

    在石油和天然气勘探中,分析3He/4He比值可以帮助确定潜在的油气储层位置,指导勘探工作的展开,为资源开发提供重要的参考依据。此外,这项技术还在火山活动监测和环境污染监测中发挥着重要作用。通过分析火山岩浆中的3He/4He比值,我们可以提前预警火山喷发的可能性,采取相应的灾害防范措施。  3He/4He同位素地球化学为我们提供了一个窥探地球内部奥秘的窗口,帮助我们更好地认识和理解地球的演化历史,指导资源勘探和环境保护工作的开展。这一领域的不断发展将进一步促进地球科学领域的研究和应用,为人类社会的可持续发展提供更多有益的信息和支持。




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