禁止二次轉載。
地球磁場會阻止來自太空（包括太陽在內）的有害高能粒子抵達地球，從而對地球起到保護作用，使地球成為了一個宜居的星球。地球的磁場來源於地球中心的核心。然而，對地核的研究是非常難以進行的，部分原因是由於它的起始深度約為2900千米，如此深的深度使得我們無法對其進行取樣和直接調查。
在一篇發表於Geochemical Perspective Letters的論文中，一個國際合作的研究團隊發現了一種獲取地核信息的方法。
一個高溫煉獄
地核是地球上最熱的部分，外核的溫度就已經超過了5000℃。這必然會影響覆蓋在核心之上的地幔，據估計，50%的火山熱量來自地核。
從地殼到地核的地球結構。| 圖片來源：thegeographeronline
火山活動是地球主要的冷卻機制。某些火山活動可能與地核有關，比如在夏威夷和冰島上仍在形成的火山島，因為地幔柱會將熱量從地核轉移到地球表面。
然而，一個幾十年來一直爭論不休的話題是，在地核和地幔之間是否存在物質交換？
新的發現表明，一些地核物質確實會轉移到地幔柱的底部，而在過去的25億年裡，地核一直在向外泄漏這些物質。這一點是通過測量在鎢（W）元素的同位素比例上出現的微小變化而發現的。
為了研究地核，研究人員從深部地幔形成的火山岩中尋找地核物質的化學示蹤劑。我們知道地核有非常獨特的化學成分，主要由鐵和鎳以及溶解在鐵鎳合金中的鎢、鉑，還有金等元素組成。因此，這些親金屬合金的元素是研究地核痕跡的優異選擇。
尋找鎢的同位素
鎢元素具有74個質子，它有幾種不同的同位素，包括鎢-182（含108個中子）和鎢-184（含110個中子）。鎢的這些同位素可以成為確定地核物質的最確鑿示蹤劑，因為按照預計，地幔裡的鎢-182與鎢-184的比值比地核中要高得多。
這是由於地幔中富含另一種地元素鉿（Hf），它不溶於鐵鎳合金，而且還具有一種目前已不存在的同位素鉿-182，這種同位素會衰變為鎢-182。這導致相比於地心，地幔會獲得額外的鎢-182。
但是，檢測鎢的同位素變化是一項極其艱難的挑戰，因為鎢-182與鎢-184比值的變化量級為百萬分之幾，而且岩石中鎢的濃度只有億分之幾。全世界能進行這種分析的實驗室不超過5個。
洩露的證據
新的研究表明，在地球的一生中，地幔中的鎢-182與鎢-184的比值發生了顯著的變化。在地球上最古老的岩石中，鎢-182與鎢-184的比值遠高於現代地球上的大多數岩石。地幔中鎢-182與鎢-184的比值變化表明，地核中的鎢長期泄漏到地幔中。
有趣的是，在地球上跨越了18億年時間的最古老的火山岩中，地幔中的鎢的同位素並沒有發生顯著變化。這表明從43億年前到27億年前，很少甚至幾乎沒有物質從地核轉運站移到了上地幔。但在隨後的25億年裡，地幔中鎢的同位素組成便發生了明顯的變化。研究人員推斷，在太古宙末期，板塊構造發生了變化，從大約26億年前開始，觸發了地幔中足夠大的對流氣流，因而改變了所有現代岩石中的鎢同位素。
為什麽會泄漏？
如果地幔柱是從地核與地幔的邊界上升到地幔表面的，那麽由此推斷，地球表面的物質也必然會沉降到深部地幔中。我們用俯衝作用來描述地球表面的岩石進入到地幔，作為板塊構造的一個組成部分，這個過程會將地表的富氧物質帶入深部地幔之中。
鎢的同位素比值在地核與地幔中的區別，顯示了地核的物質如何泄漏到地幔柱中。| 圖片來源：Neil Bennett
實驗表明，地核與地幔邊界的氧濃度的增加導致鎢從地核中分離出來並進入地幔。另外，地球內核的凝固也會增加地球外核的氧濃度。在這種情況下，新的研究結果可以給我們提供一些與地核演化有關的信息，例如地球磁場的起源。
最開始時，地核中完全是液態金屬，隨著時間的推移，它一直在冷卻並導致部分凝固。磁場是由地球的固體內核的旋轉產生的。而地球內核的結晶時間是地球科學和行星科學領域中最難回答的問題之一。新的研究為研究地核與地幔之間的相互作用，以及研究地球內部的動力學變化提供了一種示蹤劑，這將有利於增進我們對地球磁場是如何以及何時開啟的理解。
撰文：Hanika Rizo（卡爾頓大學地球科學系副教授）
David Murphy（昆士蘭科技大學地球科學講師）
Denis Andrault（克萊蒙奧弗涅大學教授）
原文標題為“Earth's core has been leaking for billions of years”，首發於2019年7月10日的The Conversation。
中文內容略有修改，僅供參考，一切內容以英文原版為準。
來源：原理
編輯：Major Tom
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