發現原地球的第一個證據

從塵埃到行星

大約46億年前，一團塵埃和氣體云在自身引力的作用下，坍縮形成了太陽系。在年輕太陽的周圍環繞著一個旋轉的物質盤——原行星盤。盤中的塵埃和氣體不斷凝結、碰撞、匯聚，最終孕育出原地球和太陽系中的其他天體。

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——這場大碰撞徹底攪亂并融化了地球內部，重新設定了它的化學構成。

長期以來，科學家認為，原地球的物質已經被完全改變了。換句話說，地球內部不再保留任何早于大碰撞的“原始化學指紋”。

但在一項新發表于《自然·地球科學》的研究中，一個國際研究團隊發現了極其罕見的原地球遺跡：他們在一些古老的巖石中發現了一種與現如今地球上的物質截然不同的化學信號——一種極其微弱但可辨識的鉀同位素不平衡。

隕石中的“鉀異常”

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

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

當他們將這些隕石樣本的化學成分與地球進行比較時，發現其中存在“鉀同位素異常”：隕石中的鉀同位素比例與地球上大多數物質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，都可能是原地球物質仍然存在的有力證據——這些物質形成于大碰撞徹底改寫地球化學結構之前。

在地球內部尋找鉀異常

在最新研究中，研究團隊推測，如果這種鉀同位素不平衡特征真的被保存下來，那么它們應該會在地球最深處留下印記。因此，這一次，他們將目光直接轉向了地球本身，而非隕石。

他們采集了來自格陵蘭和加拿大的粉末狀巖石樣本，那些地區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。

在實驗過程中，研究人員首先用酸溶解樣品，從剩余樣品中分離出鉀元素，然后利用高精度質譜儀測量三種鉀同位素的比例。

結果令人驚訝，他們發現這些樣本中的鉀-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，而在這項研究中，研究人員發現，這些巖石樣品中的鉀-40含量甚至更低。

模擬揭示：確實“與眾不同”

那么，這些樣本真的是原地球的殘留物質嗎？為了解答這個問題，研究人員假設這些樣本確實源自于原地球，并用所有已知隕石的成分數據進行模擬。他們推演了這些鉀-40較低的物質在經歷大碰撞以及后續的一些地質過程后的化學變化過程。

結果顯示，與格陵蘭、加拿大與夏威夷的樣品相比，模擬產生的鉀-40含量略高一些，但與現代地球上大多數物質的組成相符。

基于這些結果，研究團隊確認，這種鉀同位素不平衡特征，不可能由目前已知的任何地質過程或撞擊事件造成。換句話說，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，這或許是首個直接證據，表明地球內部至今仍保存著源自原地球的物質。

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現。這也意味著，關于地球最初的構成，我們仍有許多謎團尚待解開。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Alex-Prado / Pixabay