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2020-09-17 08:00
46亿岁的地球,有一颗年轻的“心”

本文来自微信公众号:中国科普博览(ID:kepubolan),作者:杨凡,题图来自:视觉中国


“日月安属?列星安陈?”人类对天空的探索从古至今未曾停止,这其中,养育万物的地球自然成为了我们最好奇的星球之一。早在1956年,加州理工学院的地球化学家克莱尔·帕特森(Clair C. Patterson)就利用同位素法测定出地球有着46亿年的历史,更加准确的说是45.5±0.7亿年。然而,最近有一项科学研究表明,地球内核却只有10亿多年的历史,它的年龄可能在10亿至13亿年之间。那么,为什么地球内核有着跟地球不一样的年龄,甚至比地球年轻了那么多呢?


地球内核年龄不等于地球年龄?


对于地球的年龄,有着不同的分类,比如天文年龄,描述的是地球从开始形成到现在的年龄,这个年龄跟地球的形成相关,记录着地球作为一颗原始行星在太阳系中的生命历程。除此之外,还有地质年龄,描述的是地球上从地质作用开始之后到现在的时间,地质年龄一般略大于地球上最古老的岩石年龄。我们通常所说的地球年龄是指它的天文年龄。


那么,科学家们如何测量地球年龄呢?


理论上,只要找到和地球同时期形成的岩石,测量出岩石的年龄,就能知道地球的年龄。迄今为止,地球上发现的最古老的岩石,是澳大利亚西部的一块锆石晶体,根据测验,这块晶体已有43.74亿年的历史。但考虑到地球是一个活跃的行星,在几十亿年的地质运动的消磨下,地球形成之初的那些岩石或者晶体早已经不知所踪,能完整保存至今而且被我们发现的少之又少,因此这个方法并不能保证精确地测定地球年龄。


43.74亿年前锆石晶体(图片来源:中科院南京地质古生物研究所)


所以,科学家提出了另一种方案:假设地球和陨石(主要是太阳系内的星际物质)均由太阳系内的星尘吸积而成,由于形成时间相同,二者就会具有相同的元素成分,简单来说就是地球与陨石同源,那么只要能够测量出陨石的年龄,就能大致推测出地球的年龄。


克莱尔·帕特森正是采用了这种方法,他的测量结果就是基于对来自亚利桑那州的Canyon Diablo 铁陨石的测定。自此以后,对陨石和月球岩石的研究结果只对该数值进行了微小的修正。


Canyon Diablo 铁陨石(图片来源:http://scihi.org/clair-cameron-patterson-age-earth/)


而我们都知道,地球是一个明显具有圈层结构的星球,主要分为地壳、地幔和地核,而地核又分为外核和内核。在大多数人的意识中,地球各个部分应该是在同一时期形成的,因此它们之间的年龄应该相差不多,而地核应该是地球最老的一部分。但事实并非如此,地球各个部分都有自己的年龄,比如,大洋地壳的年龄一般不超过2亿年,而且最新研究表明地球内核年龄只有10亿年。(注意这里所说的地球内核的年龄只有10亿来年,指的是地球内核从形成到现在,大约只有10亿年,而不是指整个地核的年龄。)


大洋岩石圈的年龄(百万年)(图片来源:https://www.ngdc.noaa.gov/)


讲到这里相信大家都会有一个疑问:地球内核在地球的最里面,像《地心游记》那样打一个洞进去采样,几乎是不可能实现的,那么科学家是如何测定它的年龄的呢?


如何测量地球内核的年龄


地核深藏于地表2900km之下,其半径约 3470km,占据了整个地球 1/6 的体积和近 1/3 的质量。对于我们人来说,地核是地球中最遥不可及的一部分,向地球内部打钻比飞向外太空更具挑战性,宇宙飞船已经飞过了离地球200 多亿公里的太阳系边界,可是人类打过的最深的钻孔,离地表还不超过13km。再加上火山喷发也不可能将新鲜的地核样本带到地面,因此,迄今为止,我们还无法取得任何新鲜的地核样本,其内部结构和化学成分只能通过间接的手段来推断。


通过地震波提取地核结构的信息(图片来源:参考文献1)


科学研究表明,在地球形成初期,地核并没有分为固态内核和液态外核,那么,地核开始冷却的时间,就是地球内核的诞生时期,也是地球内核的年龄。但地核何时开始冷却的也是一个难题,因此多年来,关于地核的实际年龄一直存在多种混乱的答案,有学者认为是非常古老的45亿岁,也有学者认为是十分年轻的5.65亿岁。


(图片来源:自制)


为了解决这个难题,科学家们想到,可以模拟地核的冷却。我们已经清楚地核绝大部分是(超过 80%)由铁组成,同时还有部分(约占地核质量的 5%)镍,其余的是比铁轻的元素,比如氢,氧,碳,硅或硫。因此,如果我们研究出了铁的性质,也就相当于知道了地核的性质,便能推断出地核的年龄。对于研究地核来说,最重要的性质就是铁的热导率(传递热量的效率),它是确定地核许多属性的关键。


地核中的化学浮力(图片来源:参考文献1)


研究人员通过高温高压实验,在实验室条件下重现地核温度压力条件(压力约170 GPa,温度约3000 K),测得了铁的电阻率,进而计算出铁的热导率。在考虑了其他物质成分对铁的热导性的影响情况下,研究人员利用铁的热导率对地球内核的年龄做出更精确的估算,实验估算表明地球内核大约是在10~13亿年前形成的。


地核的热传导模式和能量平衡模型(图片来源:参考文献3)


同时,该研究也表明“地球发电机”(科学家认为磁场是通过地核中熔融的铁合金对流而产生的,称为地球发电机)是由两种不同的能量来源和机制维持的,即热对流和成分对流。有学者认为,在更早的时候,内核更小甚至不存在,因此成分对流要弱得多,热对流将在驱动早期地球发电机中起关键作用。也有学者认为,早期地核的另一种能量源自化学分化,如镁或氧的出溶,这也是早期地球发电机的驱动力。


这次研究的结果更偏向于第二种模式:由于在地核形成期间,地核的温度足够高,所以镁或氧进入地核以铁合金的形式存在。随着地核的冷却,它们变得过饱和,并在核幔边界(CMB)处以镁-硅-氧矿物(Mg-Si-O)的形式沉淀。这个过程可以在内核形成之前有效地提供成分对流,这将与热对流结合共同驱动早期的发电机。


地球发电机机制的图示(图片来源:Wikipedia)


地球是我们独一无二的家园,只有更清楚地认识她,才能更好地保护她。对地球内核年龄的测定,让我们对地球内部的结构有了更进一步的认识,也为地球磁场起源,地球内核的物理、化学变化有了更多的了解。而要想更加清晰地了解地球,还有很长的路要走,需要一代又一代科研人员继续努力,探索更多关于地球的奥秘。


参考文献:

1、10000 个科学难题·地球科学卷 “10000 个科学难题”地球科学编委会. 北京: 科学出版社,2010

2、C. Patterson. Age of meteorites and the Earth, Geochim. Cosmochim. Acta, 10 (1956), pp. 230-237

3、Youjun Zhang et al., Reconciliation of Experiments and Theory on Transport Properties of Iron and the Geodynamo. Phys. Rev. Lett. 125, 078501 – Published 13 August 2020



本文来自微信公众号:中国科普博览(ID:kepubolan),作者:杨凡

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