46億歲的地球,有一顆年輕的「心」

「日月安屬？列星安陳？」人類對天空的探索從古至今未曾停止，這其中，養育萬物的地球自然成為了我們最好奇的星球之一。早在1956年，加州理工學院的地球化學家克萊爾·帕特森（Clair C. Patterson）就利用同位素法測定出地球有著46億年的歷史，更加準確的說是45.5±0.7億年。然而，最近有一項科學研究表明，地球內核卻只有10億多年的歷史，它的年齡可能在10億至13億年之間。那麼，為什麼地球內核有著跟地球不一樣的年齡，甚至比地球年輕了那麼多呢？

地球內核年齡不等於地球年齡？

對於地球的年齡，有著不同的分類，比如天文年齡，描述的是地球從開始形成到現在的年齡，這個年齡跟地球的形成相關，記錄著地球作為一顆原始行星在太陽系中的生命歷程。除此之外，還有地質年齡，描述的是地球上從地質作用開始之後到現在的時間，地質年齡一般略大於地球上最古老的巖石年齡。我們通常所說的地球年齡是指它的天文年齡。

那麼，科學家們如何測量地球年齡呢？

理論上，只要找到和地球同時期形成的巖石，測量出巖石的年齡，就能知道地球的年齡。迄今為止，地球上發現的最古老的巖石，是澳大利亞西部的一塊鋯石晶體，根據測驗，這塊晶體已有43.74億年的歷史。但考慮到地球是一個活躍的行星，在幾十億年的地質運動的消磨下，地球形成之初的那些巖石或者晶體早已經不知所蹤，能完整保存至今而且被我們發現的少之又少，因此這個方法並不能保證精確地測定地球年齡。

43.74億年前鋯石晶體（圖片來源：中科院南京地質古生物研究所）

所以，科學家提出了另一種方案：假設地球和隕石（主要是太陽系內的星際物質）均由太陽系內的星塵吸積而成，由於形成時間相同，二者就會具有相同的元素成分，簡單來說就是地球與隕石同源，那麼只要能夠測量出隕石的年齡，就能大致推測出地球的年齡。

克萊爾·帕特森正是採用了這種方法，他的測量結果就是基於對來自亞利桑那州的Canyon Diablo 鐵隕石的測定。自此以後，對隕石和月球巖石的研究結果只對該數值進行了微小的修正。

Canyon Diablo 鐵隕石（圖片來源：http://scihi.org/clair-cameron-patterson-age-earth/）

而我們都知道，地球是一個明顯具有圈層結構的星球，主要分為地殼、地幔和地核，而地核又分為外核和內核。在大多數人的意識中，地球各個部分應該是在同一時期形成的，因此它們之間的年齡應該相差不多，而地核應該是地球最老的一部分。但事實並非如此，地球各個部分都有自己的年齡，比如，大洋地殼的年齡一般不超過2億年，而且最新研究表明地球內核年齡只有10億年。（注意這裡所說的地球內核的年齡只有10億來年，指的是地球內核從形成到現在，大約只有10億年，而不是指整個地核的年齡。）

大洋巖石圈的年齡（百萬年）（圖片來源：https://www.ngdc.noaa.gov/）

講到這裡相信大家都會有一個疑問：地球內核在地球的最裡面，像《地心遊記》那樣打一個洞進去採樣，幾乎是不可能實現的，那麼科學家是如何測定它的年齡的呢？

如何測量地球內核的年齡

地核深藏於地表2900km之下，其半徑約 3470km，佔據了整個地球 1/6 的體積和近 1/3 的質量。對於我們人來說，地核是地球中最遙不可及的一部分，向地球內部打鑽比飛向外太空更具挑戰性，宇宙飛船已經飛過了離地球200 多億公裡的太陽系邊界，可是人類打過的最深的鑽孔，離地表還不超過13km。再加上火山噴發也不可能將新鮮的地核樣本帶到地面，因此，迄今為止，我們還無法取得任何新鮮的地核樣本，其內部結構和化學成分只能通過間接的手段來推斷。

通過地震波提取地核結構的信息（圖片來源：參考文獻1）

科學研究表明，在地球形成初期，地核並沒有分為固態內核和液態外核，那麼，地核開始冷卻的時間，就是地球內核的誕生時期，也是地球內核的年齡。但地核何時開始冷卻的也是一個難題，因此多年來，關於地核的實際年齡一直存在多種混亂的答案，有學者認為是非常古老的45億歲，也有學者認為是十分年輕的5.65億歲。

（圖片來源：自製）

為了解決這個難題，科學家們想到，可以模擬地核的冷卻。我們已經清楚地核絕大部分是（超過 80%）由鐵組成，同時還有部分（約佔地核質量的 5%）鎳，其餘的是比鐵輕的元素，比如氫，氧，碳，矽或硫。因此，如果我們研究出了鐵的性質，也就相當於知道了地核的性質，便能推斷出地核的年齡。對於研究地核來說，最重要的性質就是鐵的熱導率（傳遞熱量的效率），它是確定地核許多屬性的關鍵。

地核中的化學浮力（圖片來源：參考文獻1）

研究人員通過高溫高壓實驗，在實驗室條件下重現地核溫度壓力條件（壓力約170 GPa，溫度約3000 K），測得了鐵的電阻率，進而計算出鐵的熱導率。在考慮了其他物質成分對鐵的熱導性的影響情況下，研究人員利用鐵的熱導率對地球內核的年齡做出更精確的估算，實驗估算表明地球內核大約是在10～13億年前形成的。

地核的熱傳導模式和能量平衡模型（圖片來源：參考文獻3）

同時，該研究也表明「地球發電機」（科學家認為磁場是通過地核中熔融的鐵合金對流而產生的，稱為地球發電機）是由兩種不同的能量來源和機制維持的，即熱對流和成分對流。有學者認為，在更早的時候，內核更小甚至不存在，因此成分對流要弱得多，熱對流將在驅動早期地球發電機中起關鍵作用。也有學者認為，早期地核的另一種能量源自化學分化，如鎂或氧的出溶，這也是早期地球發電機的驅動力。

這次研究的結果更偏向於第二種模式：由於在地核形成期間，地核的溫度足夠高，所以鎂或氧進入地核以鐵合金的形式存在。隨著地核的冷卻，它們變得過飽和，並在核幔邊界（CMB）處以鎂-矽-氧礦物（Mg-Si-O）的形式沉澱。這個過程可以在內核形成之前有效地提供成分對流，這將與熱對流結合共同驅動早期的發電機。

地球發電機機制的圖示（圖片來源：Wikipedia）

地球是我們獨一無二的家園，只有更清楚地認識她，才能更好地保護她。對地球內核年齡的測定，讓我們對地球內部的結構有了更進一步的認識，也為地球磁場起源，地球內核的物理、化學變化有了更多的了解。而要想更加清晰地了解地球，還有很長的路要走，需要一代又一代科研人員繼續努力，探索更多關於地球的奧秘。

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