氪同位素讲述了地球生命元素的早期故事

作者：约翰娜·米勒

编译：纯珍

图片来源： tomowen/Shutterstock.com

自诞生以来，我们的星球积累了来自多个源头的挥发物。

加拉帕戈斯群岛非凡的生物多样性极大地激发了查尔斯·达尔文制定他关于地球生命进化的理论。但这些岛屿为我们了解星球更深的过去提供了一个窗口。这些岛屿的火山——如图所示，以及冰岛和世界其他一些地方的火山——位于地幔柱之上，地幔柱吸引着地球内部的一个区域，该区域至少从地球历史的第一个一亿年以来一直相对未受干扰。因此，它们带到地表的矿物质和气体是地球原始成分的量度。

早期地球是一个炎热的地方。这颗年轻的行星不断地与尚未从其轨道上清除的小行星进行高能碰撞。在这样的环境中，水、氮和碳化合物等挥发性物质似乎不会长期存在。因为地球显然确实包含这些物质，所以一种理论认为，它们一定是后来才被释放出来的，可能是彗星。

为了验证这个想法，Sandrine Péron（当时她是加州大学戴维斯分校的博士后，现在在苏黎世联邦理工学院）和他的同事从加拉帕戈斯群岛和冰岛采集了原始地幔物质，并分析了它们的氪同位素。

为什么要氪？就像生命的基本组成部分一样，它是不稳定的。它的六种天然同位素以不同的比例存在于空气、太阳和陨石中。作为一种惰性气体，它不参与随时间改变其同位素组成的化学反应。

但是火山岩中并没有太多的氪——而且很少的氪可能来自熔岩喷发后渗入熔岩的空气，就像来自原始地幔气体一样。以前对原始地幔氪的分析工作因大气污染的可能性而受阻。

Péron 找到了解决这个问题的方法。她一次压一点样品，在每一步中，她都会寻找释放的其他气体（尤其是氖气）的线索，看看它们是否被空气污染。如果是的话，她会丢弃她在这一步收集的所有氪；如果没有，她会保留它。

图片来源：改编自 S. Péron 等人，Nature 600 , 462 (2021)

该图显示了将该技术应用于加拉帕戈斯群岛和冰岛样本的结果。氪的成分彼此紧密匹配，在六种同位素中的五种中，它们与 Q 相相匹配，Q 相是在一类称为碳质球粒陨石的陨石中发现的物质。（标有“AVCC”的线显示了所有碳质球粒陨石材料的平均值。）碳质球粒陨石被认为代表了外太阳系的原始成分，外太阳系的挥发物更容易凝结。

研究人员得出结论，早期地球至少有一些挥发物，可能来自类似于碳质球粒陨石的来源。但由于地幔氪与当今空气中的氪不匹配，早期的挥发物不可能是地球上唯一接收到的挥发物。