自诞生以来，我们的星球一直从多个来源集聚挥发物。

加拉帕戈斯群岛具有非凡的生物多样性，这极大地激发了查尔斯 · 达尔文（Charles Darwin）的灵感，帮助他构建了关于地球生命进化的理论。同时，这些火山岛也为我们提供了一个窗口，让我们得以窥见这个星球更深远的过往。岛上的火山位于地幔柱顶端，将地幔深处的物质引导到地球表面。在地球46亿年的历史长河中，被地幔柱抽出的地幔部分异常停滞了。

随着地质年代的推移，地壳及大部分地幔都在不断地运动，尽管速度很慢，因为构造板块会从地壳循环到地幔，如此往复。就像黄油的翻腾一样，地球上最厚的地层翻腾并不是为了使其成分均匀，而是根据它们的密度、挥发性和化学性质将其分开。因此，我们在地球表面看到的几乎所有事物都与地球的成分均值无关。

但这种混合方式对地幔的某些部分似乎不起作用。相反，至少在地球历史的前1亿年，它们一直没有受到地质作用的干扰。如同我们在加拉帕戈斯群岛、冰岛和其他一些火山岩区看到的那样，当这些原始物质的碎片辗转到达地表时，它们为科学家们提供了一次回顾地球历史的宝贵机会，以揭示婴儿时期的地球最初的构造成分。

如今，桑德里娜 · 培隆（Sandrine Péron，开展此项研究时为加州大学戴维斯分校博士后，现任职于苏黎世联邦理工学院）与其同事已经使用一种新开发的技术来分析一些原始地幔样本中的氪——一种仅占万亿分之一的元素。这些发现不仅揭示了氪本身，还对碳、氢、氮和氧等所有生命组成元素进行了阐释。

地幔指纹

早期地球终日炎炎，因为这颗年轻的行星经常与尚未离开其轨道的小行星发生高能碰撞。另一方面，生命元素往往会形成低沸点化合物，如甲烷、氨和水。在这样的环境中，这些挥发性物质似乎无法停留太久——如果它们一开始就能凝结的话。

显然，地球上确实存在大量挥发性元素，而且它们一定来自某个地方。它们并非源自地球上发生的核反应，所以它们要么是地球原始成分的一部分，要么是后来由彗星携带而来。了解地球如何获得其挥发性物质，可以帮助研究人员了解地球的环境是否正常，也许还有助于了解它们在宇宙其他地方被复制的可能性有多大。

这正是氪的作用所在。作为一种气态元素，其物理性质与其他挥发性元素相似，因此它很可能与它们一起冷凝和脱气。氪的六种天然同位素在不同的可能来源中以不同的比例存在。例如，如果一个特定的氪样本的同位素组成与在太阳风中发现的物质相匹配，那么这至少是氪来自太阳的间接证据。

氪相关研究工作面临的挑战在于，这种物质的含量太少了。该元素本身已经足够稀有，但其最不丰富的同位素的含量要比它低两到三个数量级：一个质量为4克的典型地幔材料样本可能只有几十万个氪-78原子。此外，它容易受到污染。火山岩中夹带的气体可能是原始地幔气体的气泡，也可能是喷发后进入熔岩的空气。任何特定的样本都可能含有这两种物质，但具体数量未知，而此前分析地幔氪的努力一直受到大气污染的阻碍。

培隆找到了解决这个问题的方法。她会一次粉碎少量样品，然后对每一次释放的气体单独进行分析。如果这些气体显示出已被空气污染的迹象，她会将其排除在测量之外。否则，她就会将它们保存起来。

但培隆无法仅凭氪气就妄下定论。每个阶段释放的氪太少，无法单独分析。而且在地幔中的氪组成尚不明确的情况下，不可能知道大气中氪的含量有多少（如果有的话）。于是，她转而研究含量更丰富的氖气。由于只有三种天然同位素，氖在区分多种可能来源方面效果不佳。但是，地幔中的氖和大气中的氖的同位素组成均已为人知，而且它们差异巨大。所以只有当某一次粉碎样品时释放的氖与预期的地幔中的氖组成相匹配时，培隆才会将在同一步骤中释放的氪保存下来。

逐步分析需要很长时间——单个样本大约需要一周——并且需要丢弃一半到2/3的数据。但与以前相比，它能更好地估计出原始地幔的氪组成。

培隆与其同事对加拉帕戈斯和冰岛的测量结果完全匹配。结果显示，地幔中的氪明显不同于空气中的氪。这种差异性首先意味着地幔中的氪绝对不仅仅由大气中的氪回收而来。其次，反过来说，大气中的氪——以及其他挥发性元素——也不可能仅仅来自原始地幔的脱气。在诞生后的晚些时候，地球一定从其他地方获得了另一批挥发性物质。

新的地幔测量结果表明，在六种同位素中，有五种同位素（氪-86除外）与一类被称为球粒陨石的陨石合理匹配，而球粒陨石被认为是太阳系典型的原始组成部分。两种球粒陨石的氪同位素组成分别是：常见的碳质球粒陨石和Q相。前者源自太阳系外的球粒陨石，挥发物更容易在上面凝结；后者是一种特征不明显的材料，可携带在多种陨石中发现的大部分重惰性气体。

但地球地幔中的氪不可能直接来自上述两种来源，因为与氪-86的含量不匹配。这种差异有点令人困惑，但它有可能为我们提供了一条线索。在至少八种其他元素（包括钙、钛和镍）中，也观察到了类似的异常现象——具体而言，就是地幔中缺乏某种元素中最富含中子的同位素。然而，氪是第一种被发现遵循该模式的挥发性元素。

富含中子的同位素在恒星中形成主要是通过r过程（即快速中子捕获），而不是 s 过程（即慢中子捕获）。形成太阳系的原行星盘可能利用了几颗不同恒星的残骸——其中一些恒星的 r过程比其他恒星更强烈。如果恒星的残骸没有得到很好地混合，那么形成地球的圆盘部分可能相对富含s过程物质。此外，氪与其他元素表现出相同的异常现象，这似乎表明，地球在吸收非挥发性元素的同时，从同一来源获得了存在于早期的氪和其他挥发性物质。

如果这个解释是正确的，那么应该有一些陨石——形成地球的原行星盘的同一部分的残余物——像地幔一样，不含氪-86。然而，目前还没有发现这种陨石，但关于陨石中氪同位素的数据少之又少。

接下来，培隆计划将她的分析技术应用于不同类型的陨石，看看她是否能找到一种氪组成与地球六种同位素都匹配的陨石。

资料来源 Physics Today