一项对加拿大北极地区古代熔岩流的新分析表明，困在地核中的氦可能正在缓慢地“泄漏”到地幔，然后到达地表——这一观点挑战了科学界对地球内部运作的理解。
这是最新的证据，支持了这样一种假设：原始的氦和其他元素的“储藏库”在年轻的太阳和原行星从45亿多年前的气体和尘埃云中聚合时，被困在了地球地核中。
这项新研究的主要作者、伍兹霍尔海洋研究所的地球化学家Forrest Horton说，这些发现“表明在我们星球深处的某些地方，气体从地球形成之初就被保存下来了”。
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科学家可以通过观察氦原子核中的中子数量来大致了解它的来源——这个数字可以区分该元素的不同种类或同位素。例如，同位素氦3，它有两个质子和一个中子，是在恒星和宇宙大爆炸期间产生的。这种同位素在地球上极其稀有。
同时，氦4，它是构成派对气球和帮助磁共振成像机冷却的大部分气体，每个原子核中有两个质子和两个中子。这种同位素在地球上相对常见，它是由我们星球内部铀和钍的自然放射性衰变形成的。
在这项新研究中，Horton和他的同事分析了加拿大最北端北极岛屿巴芬岛东部6200万年前的熔岩流样本，该研究发表在《自然》杂志上。几十年来，地质学家一直在研究这些熔岩，试图更多地了解地球地幔是如何运作的。例如，在2003年发表的一项研究中，研究人员首次在熔岩中发现了异常高的氦3水平，与氦4相比——这是地球内部岩石中记录的最高值，高达大气中比率的50倍。根据当时流行的地质理论，他们推断氦3可能来自地幔内的原始氦储藏库，地幔是地壳下方的地球内部层。
在2018年夏天，Horton的团队开始了为期两周的巴芬岛考察，以复制这些结果，并收集熔岩样本。在伍兹霍尔和加州理工学院的实验室中，研究人员分析了样本中一种名为橄榄石的矿物，该矿物含有微小的氦气袋。这种被捕获的气体具有更高的氦3与氦4的比率，至少是大气比率的65倍，最高可达69倍。
Horton说，在世界各地其他热点的火山岩中也发现了同位素氦比率升高的情况，例如夏威夷和加拉帕戈斯群岛。然而，巴芬岛熔岩中的比率大约是其他任何地方发现的两倍。
这些前所未有的发现向Horton的团队表明，氦并非来自地幔，而是来自更深层的来源：地球地核。他说，熔岩中含有其他元素，如氖，其同位素比率表明它们可能来自地核。这种可能性对地球和其他行星（包括其他恒星周围的系外行星）的形成具有重要意义。
然而，这种原始气体是如何到达地球表面的呢？Horton提出，氦可能首先从地球地核的外部泄漏到相邻的地幔中。然后，氦可能会在地幔内的浮力岩石柱中上升，岩石柱在上升过程中融化，从而使产生的岩浆最终以熔岩的形式在地表喷发。
Horton说，如果是这样，这些发现为地球化学家提供了一个难得的机会，可以一窥地球地核和地幔边界处发生的 процессы，这发生在在我们脚下近3000公里的地方。
这些发现也可能影响科学家们对地球演化的思考方式。在地球形成的早期阶段，氦和其他气体可能在地幔岩石中含量丰富。但Horton说，氦从地核泄漏的假设表明，几乎所有最初的氦都在地幔内后期“对流混合”阶段从我们星球的岩石部分流失了，因此地幔可能比之前认为的混合得更彻底。
然而，Horton警告说，这还不是对地球化学中关于地球氦及其其他“惰性”或非反应性气体（包括氖和氩）起源的争论的最终答案。地球化学家长期以来一直质疑这些气体是来自原始储藏库，还是在我们星球形成后通过太阳风的照射或含氦陨石添加的。
虽然新的证据表明气体从地核逸出，但Horton指出，这尚未得到绝对证实。“我想说，关于氦是否来自地核，仍然存在很大的不确定性，”他说。
专家们对他们能从这项研究中得出什么结论意见不一。Cornelia Class，哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的地球化学家，她没有参与这项研究，她认为Horton可能过于谨慎了。事实上，她说，最新的研究是“非常有力的证据”，支持氦正在从地核泄漏的论点。
但法国奥尔良大学宇宙科学观测站的地球化学家Manuel Moreira也未参与这项研究，他的态度更为模棱两可。“氦被储存并随后从地核泄漏的反复提出的观点仍然是推测性的，”他说。“尽管如此，这项研究为地球上惰性气体的起源提供了进一步的见解。”