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氙元素的同位素訴說了地幔裡揮發性再循環的故事

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撰文者:原文作者:Johanna L. Miller 。中文編譯:林中一 教授,國立中興大學物理系。
發文日期:2019-05-23
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    譯者按:地幔(或稱地函),是指位於地殼之下,地核之上,厚度約2900公里的區域。化學成分主要是含鐵、鎂的矽酸鹽,平均密度是3.3–5.5 g/cm³。地幔(地函)含石榴子石、輝石、橄欖石及其他類型的岩石。占地球體積的83%,總質量的68%─ 文、圖均摘自維基百科

     

    現今的地幔(地函)將來自地殼與地表的揮發性物質再加工。但是在過去的幾十億年裡卻不是這麼回事。

     

    地球上在海洋、湖泊、和大氣層裡進行循環的水實際上只佔地球裡的水量不多的一部份。其他大量的水,質量差不多是全地表蓄水場所總量的兩倍半,則是一個一個分子的分散藏在地幔(地函)之中。這些水分影響了那裡礦物質的特性也就連帶影響了地質的動態(參見賀胥曼(Marc Hirschmann)與寇思泰(David Kohlstedt)在2012年三月號《今日物理》40頁的文章)。
     

    在幾百萬年到幾十億年的時間尺度裡,水的循環包含進出地幔(地函)的水份交換,如圖一所示:水份從地幔(地函)經由中洋脊(Mid-ocean ridge)和火山被釋出;又經由板塊中含水的礦物的潛沒返回到地幔(地函)。(譯者按:中洋脊又稱洋脊、大洋中脊、中央海嶺,是位於全球海中張裂性板塊邊界的一系列火山結構系統,也是世界上最長的山脈、海底山脈,長達80,000公里(49,700英里),其中連續的山脈長達65,000公里(40,400英里),與之相對應的地質結構是陸地上的裂谷(地塹)。摘自維基百科) 其他種類的揮發性物質,包括碳、氮、以及硫的化合物,則各有其深奧的循環方式。
     

    地函1

    圖1. 揮發性物質移動的路徑。水,氙,和其他的揮發性物質自地幔(地函)經由熱點的火山及中洋脊被釋出,而又經由潛沒的岩板被帶回︰那些沒有從岩板被排出來並通過火山弧返回大氣層的物質都會重新進入深層地幔(地函)。


     

     隨著揮發性物質進出地幔(地函),可以想見大氣層和水圈的密度和組成可能會在地質年代內發生顯著變化。然而, 在地球歷史的大部分時間裡,生命一直存在於地球上。儘管發生過大量滅絕和生物本質產生過巨大的變化, 但不像月球或金星上的那樣,地球上的環境條件一直能夠適合某種形式的生物的生存。瞭解揮發性物質回收循環的歷史是瞭解地球過去和現在宜居性的重要部分。
     

           現在, 美國聖路易華盛頓大學的帕拉伊 (Rita Parai,Washington University in St Louis) 和戴維斯加州大學的莫可帕德延(Sujoy Mukhopadhyay,University of California, Davis) 已經建構了揮發性物質如何隨著時間在地幔(地函)與地表間交換的第一個定量的限制1。他們建立了一個數值的模型來模擬氣體氙在地幔(地函)與地表的進出;氙雖然屬稀有氣體,但卻可以是用來追蹤其他含量更大的揮發性物質的一支利器。
     

        特別是含水的礦物,都攜帶著些氙。由於氙與水的比率並不固定,因此通常不可能得出氙的流量與水流量之間的詳細的定量關係。但是, 如果在特定的時間和地點, 深處的氙流量為零,那麼深處水的流量也可能是零。研究人員們從他們的模型中發現, 在地球早期歷史的大部分時間裡, 氙以及水只從地幔(地函)中移出, 而不是回到地幔(地函)中。

     

    追蹤同位素

     

            氙有九種穩定的同位素,在地球上統統都找得到,但是它們的局部相對的數量並不固定。隨著時間的推移,,大氣層中的氙逐漸變得更重,這可能是由於較輕的同位素有選擇地逃入太空,儘管該機制的細節仍然不明。正如被困在地質樣本中的古代空氣所揭示的那樣,從地球歷史早期到 2 0億年前,這種變化是平穩穩定的;自那時以來, 大氣中氙的同位素的組成一直保持不變2

    同時, 地幔(地函)中的過程也推動了同位素的變化。9種氙同位素中有5種是放射性的, 典型的是由碘-129的衰變和鈈-244和鈾-238的裂變所製造。129I 和244Pu 存在於早期地球,但當它們早已滅絕時,238U 仍然存在於地幔中而且還不斷的生產氙。
     

    今天地幔(地函)中的氙--其成分是通過對爆發玄武岩的分析而知道的--是來自五個來源的氙的混合物: 自地幔(地函)形成以來一直存在的原始氙 (這是從球粒隕石中推斷的,這些隕石在很大程度上保留了最初的太陽系的組成), 上一段所述的三個放射性元素所產生的氙,和自大氣回歸到地幔(地函)中的氙。如果大氣中同位素的組成隨著時間的推移一直保持不變, 那麼通過在五個變數 (每個來源一個) 中求解9個線性方程組 (每個同位素一個), 可以計算出每個來源對地幔的貢獻有多大。一般來說, 這種超定方程組並不總是能容許一個解─但如果它是對物理現象的準確描述, 那就可以。

    帕拉伊和莫可帕德延認識到,如果他們假設所有回歸地幔(地函)的氙都來自具有與現代同位素相同組成的大氣層,他們就能解決這些方程。(實際上, 他們漏掉了幾種同位素和129I 裂變源, 但它們仍然有一個超定線性系統。) 然而, 如果他們認為古代大氣是回歸地幔氙的源頭, 這些方程就無解了3。這個簡單的測試是第一個暗示,那就是隨著時間的推移, 回歸地幔(地函)的過程變得越來越強。
     

    測試歷史
     

          為了更嚴格地探索這一想法, 研究人員開發了一個數值模型, 可以模擬地幔(地函)氙隨著時間推移的動力學。他們假設一開始時地幔的組成與球粒隕石相同;在每一步, 有的氙被排出地幔(地函),有的回歸,有的通過放射性產生。地幔(地函)裡的氙被認為是很均勻的混合, 因此被排出的氙的同位素組成會和整體地幔(地函)的相同。對於回歸地幔(地函)的氙, 研究人員則使用了已知的隨時間變化的大氣成分。
     

            假設了排出率和回歸率,帕拉伊做了多次模擬運算,每次的模擬都從函數形式的參數空間中隨機的選取不同的返回歷史記錄。正確地再現現今地幔(地函)中氙濃度和成分的歷史被認為是成功的;圖2顯示了每個成功歷史的進入地幔(地函)的淨氙通量。

     

    地函2

    圖2. 成功再現今天地幔(地函)氙成分的氙回歸地幔(地函)的歷史。圖中顯示的是進入地幔(地函)的淨氙通量︰是由回歸率減去排出率得到。雖然從這個圖中並不明顯,但所有的成功歷史顯示在25億年前基本上根本沒有任何回歸。(取自參考文獻1)

     

            正如圖所示,地球開始時處於氙是淨排出的狀態,也就是離開地幔(地函)的氙比進入地幔(地函)的更多。在25億年前和數百萬年前之間的某個時候, 它轉向了淨進入的區段。許多成功的歷史顯示,在過去的數百萬年間,回歸率有急劇的上升, 但是這些晚期的上升並不一定代表一種物理現象。"我們採取的方法是去找一切可能的東西," 帕拉伊說 "所以我們無法計算出可行方案之間的相對概率"。任何一個顯示回歸率的上升是發生在較早期而現今是較低的歷史也是可能的。
     

            但有一個明顯的結果: 在25億年前, 任何成功的歷史都沒有顯示任何顯著的氙回歸。"我們感到驚訝的是,早期的可以容忍的返回究竟能少到什麼程度, ”。帕拉伊說:"我們懷疑這個數量可能是有限的,但在做計算之前,我們是毫無概念的"。
     

            如果氙的回歸被限制到25億年前, 那麼水的回歸也應是如此。這一點尤其令人好奇, 因為有證據表明, 板塊運動,也就是板塊隱沒,已經持續了至少30億年4。如果這是真的, 那麼數億年來,隱沒板塊都被從地殼返回地幔,但它們根本不含水。也許它們的揮發物在隱沒的過程中都被有效地排出--帕拉伊和莫可帕德延的模型計算中揮發物只有在它們進入地幔(地函)的夠深處,能夠很好地混合時才會被算是回歸。或者也許古代的地殼一開始就沒有水。
     

            地質學家認為25億年前是太古和元古代之間的邊界, 大約在那個時候發生了一些重要的變化。其中最引人注目的或許是地球大氣層中氧氣的首次積累(參見2018年6月號《今日物理》第16頁)。氙回歸的開始則是另一個幾乎同時發生的事件。"但我們不知道那兩個事件是否存在因果關係,也不知道他們是否只是時間上的巧合,”帕拉伊說︰"這需要在未來予以解決"

     

    參考文獻

    1.R. Parai, S. Mukhopadhyay, Nature 560, 223 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0388-4, Google ScholarCrossref

    2.G. Avice et al., Geochim. Cosmochim. Acta 232, 82 (2018). https://doi.org/10.1016/j.gca.2018.04.018, Google ScholarCrossref

    3.R. Parai, S. Mukhopadhyay, Geochem. Geophys. Geosyst. 16, 719 (2015).

      https://doi.org/10.1002/2014GC005566, Google ScholarCrossref

    4.S. B. Shirey, S. H. Richardson, Science 333, 434 (2011). https://doi.org/10.1126/science.1206275, Google ScholarCrossref

     

    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, October 2019 雜誌內(Physics Today 71, 10, 14 (2018) ;https://doi.org/10.1063/PT.3.4035);原文作者:Johanna L. Miller 。中文編譯:林中一 教授,國立中興大學物理系。

    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Joseph D. Martin , and is published on Physics Today 71, 10, 14 (2018) ;https://doi.org/10.1063/PT.3.4035. The article in Mandarin is translated and edited by Prof. C.-Y. Lin, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.

     

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