研究人员在古地幔岩石中发现了地球最早形态的化学指纹。钾同位素的一种独特不平衡现象指向了在地球剧烈形成过程中幸存下来的“原地球”物质残余。该研究表明，地球的原始构建单元仍隐藏在地表之下，让我们得以直接窥探地球的古老起源。
数十亿年前，太阳系是一个巨大的旋转气体和尘埃云。随着时间的推移，这些物质聚结成固体物体，形成了第一批陨石。这些陨石通过反复撞击逐渐合并，创造了原始地球及其邻近行星。
在其婴儿期，地球是一个熔融的、被岩浆覆盖的世界。不到一亿年后，它经历了一场灾难性事件，一个火星大小的天体撞击了这颗年轻的行星，科学家称之为“大碰撞”。这次碰撞熔化并混合了行星的内部，抹去了其大部分原始化学特征。几十年来，科学家们认为原始地球的任何痕迹都在那场宇宙剧变中被彻底摧毁了。
然而，麻省理工学院团队的新结果挑战了这一假设。研究人员在古老的深部岩石样本中发现了一种不寻常的化学特征，这种特征与今天地球上发现的大多数物质不同。这种特征表现为钾同位素的轻微不平衡——即同一元素但中子数不同的原子。经过广泛分析，科学家们得出结论，这种异常不可能是由后来的撞击或地球内部正在进行的地质过程产生的。
最合理的解释是，这些岩石保留了原始地球原始物质的微小部分，它们以某种方式在地球剧烈的重塑中幸存了下来。
“这也许是我们保存了原始地球物质的首个直接证据，”麻省理工学院地球与行星科学Paul M. Cook职业发展助理教授Nicole Nie说。“我们看到了非常古老的地球的一块碎片，甚至在大碰撞之前。这令人惊叹，因为我们原以为这种非常早期的特征会随着地球的演化被慢慢抹去。”
Nie的合著者包括成都理工大学的王达、卡内基科学研究所（华盛顿特区）的Steven Shirey和Richard Carlson、苏黎世联邦理工学院（瑞士）的Bradley Peters以及斯克里普斯海洋学研究所（加利福尼亚州）的James Day。
奇特的异常
2023年，Nie和她的团队检查了从世界各地收集的众多有详细记录的陨石。这些陨石在太阳系的不同时间和地点形成，捕捉了数十亿年来其化学成分的变化。当研究人员将它们的成分与地球的成分进行比较时，他们注意到了一种奇特的“钾同位素异常”。
钾以三种同位素形式天然存在——钾-39、钾-40和钾-41——每种形式的原子质量略有不同。在现代地球上，钾-39和钾-41占主导地位，而钾-40仅以微量存在。然而，陨石显示的同位素比率与地球上通常见到的不同。
这一发现表明，任何显示出相同钾不平衡的物质必定来自大碰撞改变地球化学成分之前存在的物质。本质上，这种异常可以作为原始地球物质的指纹。
“在那项工作中，我们发现不同的陨石有不同的钾同位素特征，这意味着钾可以作为地球构建块的示踪剂，”Nie解释道。
“构造迥异”
在当前的研究中，团队不是在陨石中，而是在地球内部寻找钾异常的迹象。他们的样本包括来自格陵兰岛和加拿大的粉末状岩石，那里保存着一些最古老的岩石。他们还分析了从夏威夷收集的熔岩沉积物，那里的火山从地幔（分隔地壳和地核的行星最厚岩石层）带出了一些地球最早、最深层的物质。
“如果这种钾特征被保存下来，我们会希望在深层时间和深层地球中寻找它，”Nie说。
团队首先将各种粉末样本溶解在酸中，然后小心地将钾从样本的其余部分分离出来，并使用特殊的质谱仪测量钾的三种同位素各自的比率。值得注意的是，他们在样本中发现了一种同位素特征，这与在地球上大多数物质中发现的不同。
具体来说，他们确定了钾-40同位素的亏损。在地球上的大多数物质中，与钾的其他两种同位素相比，这种同位素已经是微不足道的一部分。但研究人员能够辨别出他们的样本含有更小比例的钾-40。探测这种微小的亏损就像是在一桶黄沙中发现一粒褐沙，而不是一勺黄沙。
团队发现，样本确实表现出钾-40亏损，表明这些材料“构造迥异”，Nie说，相比于我们今天在地球上看到的大多数物质。
但这些样本会是原始地球的罕见残余吗？为了回答这个问题，研究人员假设情况可能如此。他们推断，如果原始地球最初是由这种缺钾-40的物质构成的，那么大部分物质会经历化学变化——从大碰撞和随后的较小陨石撞击——最终导致我们今天看到的含有更多钾-40的物质。
团队使用了所有已知陨石的成分数据，并模拟了样本的钾-40亏损在这些陨石撞击和大碰撞后会如何变化。他们还模拟了地球随时间经历的地质过程，如地幔的加热和混合。最后，他们的模拟产生了一种成分，其钾-40比例略高于来自加拿大、格陵兰岛和夏威夷的样本。更重要的是，模拟成分与大多数现代物质相匹配。
这项工作表明，缺钾-40的物质很可能是原始地球遗留的原始物质。
奇怪的是，样本的特征与地质学家收藏的任何其他陨石都不完全匹配。虽然团队之前工作中的陨石显示出钾异常，但它们并不完全是原始地球样本中看到的亏损。这意味着无论是最初形成原始地球的陨石还是物质都尚未被发现。
“科学家们一直试图通过结合不同群组陨石的成分来了解地球的原始化学成分，”Nie说。“但我们的研究表明，目前的陨石清单并不完整，关于我们行星的起源还有很多东西需要了解。”
这项工作部分由NASA和麻省理工学院资助。