科学家发现首批 45 亿年前“原始地球”痕迹，揭示太阳系早期秘密

IT之家 10 月 19 日消息，麻省理工学院（MIT）联合其他研究机构的科学家发现了一批关于“原始地球”的超古代遗迹，这些遗迹的形成约为 45 亿年前。

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相关成果已于 10 月 14 日发表在《自然地球科学》上（IT之家附 DOI: 10.1038/s41561-025-01811-3），将有助于科学家们拼凑出早期地球和太阳系的原始成分。

早期太阳系的起源

数十亿年前，早期太阳系是一个气体和尘埃旋转而成的盘状物质，最终这些物质逐渐凝聚形成最早的陨石，接着这些陨石汇聚成了“原始地球”和邻近的行星。

在这段最初的阶段，地球可能是一个岩石星球，表面充满了熔岩。然后，在不到一亿年的时间里，一个与火星大小相似的陨石撞击了这个年轻的地球，发生了“巨大撞击”事件，最终彻底混合并熔化了地球的内部，从而重置了地球的化学成分。

原本构成原始地球的物质，理论上应该完全被改变，然而 MIT 团队的发现表明情况并非如此。研究人员在古老岩石中发现了一种化学标志物，与当前地球上大多数材料不同。这个标志物表现为在样本中发现的钾同位素的微妙不平衡。研究团队确认，这种钾的不平衡无法通过先前的巨大撞击或当前地球上发生的地质过程来解释。

钾同位素异常揭示“原始地球”的踪迹

“这也许是我们首次直接发现保存下来的原始地球物质，”MIT 地球与行星科学助理教授 Nicole Nie 表示，“我们看到了来自非常古老地球的一部分，甚至是在巨型撞击之前。这太令人惊讶了，因为我们本以为这种早期的特征会随着地球的演化而被逐渐抹去。”

探索钾同位素异常

2023 年，科研团队分析了来自全球各地收集的许多主要陨石样本，并仔细研究了这些样本。撞击地球之前，这些陨石很可能在太阳系的不同时间和地点形成，因此它们代表了太阳系变化的过程。当研究人员将这些陨石的化学成分与地球上的样本进行对比时，他们在其中发现了一种“钾同位素异常”。

同位素是元素的不同版本，具有相同的质子数，但中子数不同。钾元素可以有三种自然存在的同位素，质量数分别为 39、40 和 41。在地球上发现的钾，通常以钾-39 和钾-41 为主，而钾-40 的比例极其微小。研究人员发现，所研究的陨石样本中，钾同位素的比例与地球上大多数物质不同，这表明这些样本中的任何物质都可能早于当前地球的构成，可能来自“原始地球”。

“与众不同”

在当前的研究中，团队没有再去寻找陨石中的钾异常，而是转向地球内部寻找相关迹象。他们的样本包括来自格陵兰和加拿大的一些古老岩石，这些地方保存了一些最古老的岩石。他们还分析了来自夏威夷的熔岩沉积物，这些熔岩来自地球的地幔 —— 即地球最厚的岩层，位于地壳和地核之间。

“如果这种钾同位素特征得以保存，我们就应该在深时空和深地球中寻找它。”

团队首先将各种粉末样本溶解在酸中，接着从样本中提取钾，并使用特殊的质谱仪来测量钾三种同位素的比例。令人惊讶的是，他们在样本中确实发现了一种与大多数地球物质不同的同位素标志。

具体来说，他们发现了钾-40 同位素的缺失。在地球上的大多数物质中，钾-40 的比例已经相当微小，而在他们的样本中，钾-40 的比例甚至更小。检测到这一微小的缺失，像是在一桶黄色的沙子中找到一颗棕色的沙粒。

“原始地球”遗物的证据

他们发现，确实，这些样本表现出了钾-40 的缺失，证明这些材料“与众不同”，这与我们今天在地球上所看到的大多数物质不同。

但这些样本真的是原始地球的遗物吗？为了解答这一问题，研究人员假设这些样本很可能就是原始地球的残留物。他们推测，如果原始地球的组成材料本身就缺乏钾-40，那么这些材料在巨大撞击和后续小型陨石撞击后，应该会经历化学变化，最终导致我们今天所见的钾-40 比例较高的物质。

团队通过对已知陨石的成分数据进行模拟，研究了这些样本中钾-40 缺失的变化，并模拟了地球经历的地质过程，如地幔的加热与混合。最终，他们的模拟结果显示，经过这些过程后，样本中的钾-40 比例略有上升，与加拿大、格陵兰和夏威夷的样本相似，并且与大多数现代地球物质相匹配。

这项工作表明，钾-40 缺失的材料很可能是原始地球的残留物。

未发现的“原始地球”物质

有趣的是，这些样本的钾同位素特征与地质学家收藏的任何其他陨石的特征都不完全相同。虽然团队之前的研究表明，一些陨石具有钾同位素异常，但这些异常并不完全与“原始地球样本”中的钾-40 缺失一致。这意味着，构成原始地球的陨石和物质，至今尚未被发现。

“科学家们一直试图通过结合不同陨石群体的成分来理解地球原始的化学组成，”科研人员表示，“但我们的研究表明，目前的陨石库存并不完整，关于我们星球的起源还有很多值得探索的内容。”