摘要：近期，德国英国和美国的研究团队在《自然》杂志发表了一项震撼地球科学界的重大发现：通过分析夏威夷火山岩石中稀有金属钌的同位素特征，科学家们首次获得了地核物质正在泄漏并被推送到地表的确凿证据。这一发现挑战了传统地球科学中"地核与地幔完全分离"的经典理论，为我们理解

科学家首次发现地核物质泄漏的确凿证据

近期，德国英国和美国的研究团队在《自然》杂志发表了一项震撼地球科学界的重大发现：通过分析夏威夷火山岩石中稀有金属钌的同位素特征，科学家们首次获得了地核物质正在泄漏并被推送到地表的确凿证据。这一发现挑战了传统地球科学中"地核与地幔完全分离"的经典理论，为我们理解地球内部的运动打开了全新的窗口。

地球内部：层层叠叠的结构

要理解这项发现的重要性，我们首先需要了解地球的内部构造。地球就像一个巨大的洋葱，由不同的层次组成：最外层是我们生活的地壳，厚度只有几公里到几十公里；地壳下面是厚达近3000公里的地幔，主要由含铁镁的硅酸盐岩石组成；最深处是地核，分为液态的外核和固态的内核，主要由铁和镍组成。

地球结构

传统观点认为，地核形成于45亿年前地球早期的高温熔融状态下，较重的金属元素下沉到地球中心，而较轻的物质上浮形成地壳，这个过程被称为行星分化。科学家们一直认为，经过这么长时间的演化，地核和地幔之间应该是相对独立、很少发生物质交换的。

海洋岛玄武岩：来自地球深处的使者

夏威夷群岛的火山岩石被地质学家称为"海洋岛玄武岩"，它们是研究地球深部过程的重要窗口。这些火山岩并非来自浅层的岩浆活动，而是源于从地核-地幔边界深处上升的"地幔柱"或"地幔热柱"。

玄武岩熔岩

地幔柱是地球内部热对流的一种特殊方式：较热的岩石从地幔底部（深度约2900公里）一路上升至地幔顶部，在上升过程中部分熔融形成岩浆，最终喷出地表形成火山。夏威夷-帝王岛链的火山活动被认为是地幔热柱存在的重要证据，这些"深根性"的地幔柱可能起源于核幔边界，因此有可能携带来自地核的物质信息。

地幔柱伴生矿化示意图

同位素：地球历史的"指纹"

要想追踪地核物质是否真的"泄漏"到地表，科学家们需要找到只有地核才有的"特殊标记"。同位素就是这样的标记,它们是同一元素的不同"版本"，具有相同的化学性质但质量不同，就像一个人的指纹一样独特。

钌同位素测量结果对比，显示夏威夷火山岩的异常特征

在这项研究中，科学家们选择了钌（Ru）这种极其稀有的贵金属作为研究对象。钌的特殊之处在于：它在金属构成的地核中高度富集，但在硅酸盐矿物组成的地幔中含量极度稀少。更重要的是，地核和地幔中钌的同位素组成应该是不同的，因为地核保留了地球早期形成时的同位素特征，而地幔的钌主要来自后期撞击地球的陨石物质。

夏威夷火山岩的"异常信号"

研究团队精确测量了夏威夷火山喷发形成的玄武岩样本中钌同位素的相对含量，特别关注原子量为100的钌同位素（100Ru）。结果令人惊讶：夏威夷火山岩中100Ru的含量明显高于周围地幔岩石，显示出了独特的"地核特征"。

更有说服力的是，这种钌同位素异常还伴随着钨同位素的特殊信号。钨-182（182W）是另一种重要的地球化学示踪剂，夏威夷火山岩显示出负的μ182W值，这进一步支持了地核物质贡献的解释。

与夏威夷形成鲜明对比的是，来自拉雷尼旺和加拉帕戈斯等其他火山热点的岩石样本并未显示类似的同位素异常，这表明地核物质泄漏可能是一个局域性现象，并非在所有地幔柱中都存在。

地核物质如何"泄漏"？

这一发现提出了一个重要问题：地核中的物质是如何到达地表的？研究团队提出了两种可能的机制。

第一种是简单的"地核夹带"模式：在核幔边界处，上升的地幔柱直接夹带了少量的地核物质。计算显示，只需要不到0.25%的地核物质混入，就足以解释观测到的同位素异常。

地核物质泄漏路径示意图

第二种是"金属氧化物剥离"模式：地核外部可能存在富氧区域，在地核冷却过程中结晶出金属氧化物矿物，这些矿物随后被地幔柱带到地表。这种机制需要的地核物质更少（约0.3%），更容易避免其他地球化学指标的干扰。

技术力量认为：这项发现的科学意义远超出了地球化学领域的范畴。首先，它挑战了地球科学中的一个基本假设，即，地核和地幔在形成后基本保持独立。如果地核物质确实在"泄漏"，这意味着地球内部的物质循环比我们想象的更加复杂和动态。

其次，这一发现为理解地球早期演化提供了新的视角。地核保留了地球形成初期的化学信息，通过研究这些"泄漏"的地核物质，科学家们可能能够重构地球诞生时的条件和过程。

此外，这项研究还可能帮助解释地球磁场的起源和变化。地球磁场是由外核中液态铁的流动产生的，如果地核与地幔之间确实存在物质交换，这可能会影响磁场的长期演化。

这项研究的科学家来自哥廷根大学地质学系，英国布里斯托尔大学地球科学学院，爱丁堡大学地质科学学院以及美国科尔盖特大学地质系。

信息来源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09003-0

来源：技术力量