一項對加拿大北極地區古代熔岩流的新分析表明，困在地核中的氦可能正在緩慢地“洩漏”到地幔，然後到達地表——這一觀點挑戰了科學界對地球內部運作的理解。
這是最新的證據，支援了這樣一種假設：原始的氦和其他元素的“儲藏庫”在年輕的太陽和原行星從45億多年前的氣體和塵埃雲中聚合時，被困在了地球地核中。
這項新研究的主要作者、伍茲霍爾海洋研究所的地球化學家Forrest Horton說，這些發現“表明在我們星球深處的某些地方，氣體從地球形成之初就被儲存下來了”。
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科學家可以透過觀察氦原子核中的中子數量來大致瞭解它的來源——這個數字可以區分該元素的不同種類或同位素。例如，同位素氦3，它有兩個質子和一箇中子，是在恆星和宇宙大爆炸期間產生的。這種同位素在地球上極其稀有。
同時，氦4，它是構成派對氣球和幫助磁共振成像機冷卻的大部分氣體，每個原子核中有兩個質子和兩個中子。這種同位素在地球上相對常見，它是由我們星球內部鈾和釷的自然放射性衰變形成的。
在這項新研究中，Horton和他的同事分析了加拿大最北端北極島嶼巴芬島東部6200萬年前的熔岩流樣本，該研究發表在《自然》雜誌上。幾十年來，地質學家一直在研究這些熔岩，試圖更多地瞭解地球地幔是如何運作的。例如，在2003年發表的一項研究中，研究人員首次在熔岩中發現了異常高的氦3水平，與氦4相比——這是地球內部岩石中記錄的最高值，高達大氣中比率的50倍。根據當時流行的地質理論，他們推斷氦3可能來自地幔內的原始氦儲藏庫，地幔是地殼下方的地球內部層。
在2018年夏天，Horton的團隊開始了為期兩週的巴芬島考察，以複製這些結果，並收集熔岩樣本。在伍茲霍爾和加州理工學院的實驗室中，研究人員分析了樣本中一種名為橄欖石的礦物，該礦物含有微小的氦氣袋。這種被捕獲的氣體具有更高的氦3與氦4的比率，至少是大氣比率的65倍，最高可達69倍。
Horton說，在世界各地其他熱點的火山岩中也發現了同位素氦比率升高的情況，例如夏威夷和加拉帕戈斯群島。然而，巴芬島熔岩中的比率大約是其他任何地方發現的兩倍。
這些前所未有的發現向Horton的團隊表明，氦並非來自地幔，而是來自更深層的來源：地球地核。他說，熔岩中含有其他元素，如氖，其同位素比率表明它們可能來自地核。這種可能性對地球和其他行星（包括其他恆星周圍的系外行星）的形成具有重要意義。
然而，這種原始氣體是如何到達地球表面的呢？Horton提出，氦可能首先從地球地核的外部洩漏到相鄰的地幔中。然後，氦可能會在地幔內的浮力岩石柱中上升，岩石柱在上升過程中融化，從而使產生的岩漿最終以熔岩的形式在地表噴發。
Horton說，如果是這樣，這些發現為地球化學家提供了一個難得的機會，可以一窺地球地核和地幔邊界處發生的 процессы，這發生在在我們腳下近3000公里的地方。
這些發現也可能影響科學家們對地球演化的思考方式。在地球形成的早期階段，氦和其他氣體可能在地幔岩石中含量豐富。但Horton說，氦從地核洩漏的假設表明，幾乎所有最初的氦都在地幔內後期“對流混合”階段從我們星球的岩石部分流失了，因此地幔可能比之前認為的混合得更徹底。
然而，Horton警告說，這還不是對地球化學中關於地球氦及其其他“惰性”或非反應性氣體（包括氖和氬）起源的爭論的最終答案。地球化學家長期以來一直質疑這些氣體是來自原始儲藏庫，還是在我們星球形成後透過太陽風的照射或含氦隕石新增的。
雖然新的證據表明氣體從地核逸出，但Horton指出，這尚未得到絕對證實。“我想說，關於氦是否來自地核，仍然存在很大的不確定性，”他說。
專家們對他們能從這項研究中得出什麼結論意見不一。Cornelia Class，哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的地球化學家，她沒有參與這項研究，她認為Horton可能過於謹慎了。事實上，她說，最新的研究是“非常有力的證據”，支援氦正在從地核洩漏的論點。
但法國奧爾良大學宇宙科學觀測站的地球化學家Manuel Moreira也未參與這項研究，他的態度更為模稜兩可。“氦被儲存並隨後從地核洩漏的反覆提出的觀點仍然是推測性的，”他說。“儘管如此，這項研究為地球上惰性氣體的起源提供了進一步的見解。”