地球核心隐藏着一个巨大的氦储层——据研究人员计算，大约有 20 亿吨原始同位素氦 3 可能与核心金属结合。
当地球形成时，这种氦被困在地核中，只是通过“泄漏”缓慢上升到地球的上覆层中。
正如科学家们解释的那样，这可以解释今天仍在从火山区释放出的氦气来自哪里。
虽然稀有气体氦是宇宙中第二常见的元素，但在地球上却极为稀有。
原因是这种轻质气体的极端波动性：一旦释放，它就会无情地上升，不受地球引力的影响。
因此，陆地氦气沉积物只能在顶部密封的地下空腔中找到——并且相应地稀缺。
虽然在地壳和地幔岩石中铀和钍的放射性衰变过程中，部分惰性气体以同位素氦 4 的形式形成，但同位素氦 3 并非如此。
它的原子是在大爆炸后不久形成的。
因此，当地球在原始太阳云中形成时，它一定是从其宇宙环境中吸收了这种原始同位素。
然而奇怪的是：大约 45 亿年前，地球与原行星忒伊亚的碰撞导致大部分地幔和地壳再次蒸发。
因此，当时所有的氦气都应该已经脱气。
“尽管如此，每年大约有两公斤稀有的氦 3 同位素从地球内部逸出，主要流向大洋中脊，”阿尔伯克基新墨西哥大学的彼得奥尔森和扎卡里夏普解释说。
在地球中心的某个地方，一定有一个古老的大型氦气库。
但是，尽管在月球形成过程中放气，它在哪里以及它是如何幸存下来的，以前还不清楚。
这就是奥尔森和夏普的研究的用武之地。
他们的假设是：地球的氦气库必须在地核中，因为这在很大程度上避免了月球形成碰撞。
因此，在实验室实验和地球物理模型的帮助下，研究人员研究了原始氦是否以及如何进入年轻地球的核心。
然后，根据这种潜在的起始库存，他们确定了今天核心中可能还有多少氦气。
结果表明了以下情景：当原始地球仍然被炽热的岩浆海洋覆盖时，来自地球稠密、富含氦的原始大气中的氦混合到熔岩中。
根据奥尔森和夏普的计算，大约有6900亿吨氦-3在岩浆洋时期扩散到地球内部。
岩浆凝固后，大部分惰性气体仍然结合在岩石中——但不是全部。
“实验表明，只有一小部分溶解在硅酸盐熔体中的氦在它们沉入岩浆海洋时进入了富含铁的液体中，”研究人员解释说。
“但这一点足以将大量的氦 3 输送到原始地球的核心。”
根据他们的模型，他们估计仅在最初的 750 万年，输送到核心的量就至少有 22 亿。
然后，当地球的富含铁的核心形成时，这种氦仍然被锁在它的金属中。
但是从那以后发生了什么？
有多少氦 3 从地核返回地幔不仅取决于温度和核幔边界的性质等因素，而且最重要的是取决于地球两层之间的浓度梯度。
由于地球地幔在大约 45.4 亿年前的月球形成碰撞后立即失去了几乎所有的氦，更多的氦随后从地核转移到地幔。
然而，随着时间的推移，这一过程趋于平稳：“随着地核补偿地表的除气损失，地幔中的氦 3 含量趋于平衡，”奥尔森和夏普解释道。
结果，地核仍在向地幔中流失氦，但明显少于地球早期。
他们假设在核心-精神边界处每年约有 800 摩尔的氦转移。
总体而言，研究人员得出的结论是，今天地核一定仍含有大量的氦 3。
因此，这个深层储层可能含有大约 20 亿吨氦 3。“地球内部仍然存在大量这种原始同位素，这是自然的奇迹，也是埃德历史的关键，”奥尔森说。
与此一致的是，科学家们在 2019 年确定，氦可能以一种外来矿物的形式结合在核幔边界附近。
因此，稳定的含氦矿物可以在下地幔的高温高压下形成。
这可以解释为什么氦气主要在热点火山和一些大洋中脊释放气体：在那里，上升流将岩石从下地幔带上来——还有氦气。
资料来源：美国地球物理联合会
（地球化学地球物理地球系统，2022；doi：10.1029/2021GC009985）
