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