地核的物质通过导致火山爆发的活动而泄露到地幔中，同样的活动促使了夏威夷群岛的形成。图片来源：EPA/BRUCE OMORI/PARADISE HELICOPTERS
地球磁场能够阻止来自太空的高能粒子，从而保护地球，并使我们的星球变得适宜居住。这个磁场的来源，便是地核。
但地核是很难研究的，因为它的深度约为2900公里，这样的深度导致无法直接进行调查。
然而，一个国际研究小组发现了获取地核信息的方法，并在近期发表在了《地球化学透视快报》上。
那里很热
地核是地球上最热的地方，外核温度超过5000℃。这必定会影响到上面覆盖着的地幔，据估计，50%的火山热量来自地核。
地球结构图。图片来源：Shutterstock/VRVector
火山活动是地球的主要冷却机制。火山活动能通过地幔柱与地核相关联，由地幔柱将热量从地核传递到地球表面。
然而，地核和地幔之间是否存在物理物质的交换，是数十年来一直争论的话题。
该研究小组的发现表明，一些地核物质确实转移到了这些地幔柱的底部，而在过去的25亿年里，地核一直在泄漏这些物质。
他们通过观察钨元素同位素比例的微小变化（同位素基本上是同一种元素的不同版本，只是中子数不同），发现了这一点。
为了研究地核，研究小组需要在深地幔火山岩中寻找地核物质的化学示踪剂。
地核有着非常独特的化学成分，以铁、镍、钨、铂和金等元素为主，这些元素会溶解在铁镍合金中。因此，金属合金元素是研究地核踪迹的最好选择。
寻找钨同位素
钨，化学符号为W，作为基本元素，它有74个质子。钨有几个同位素，包括 182W（108个质子）和184W（110个质子）。
钨的这些同位素最有可能成为地核材料最具决定性的示踪剂，因为地幔中182W/184W的含量要远高于地核。
这是由于另一个元素铪（Hf）在起作用，它不溶于铁镍合金，在地幔中富集，并且有一种已经灭绝的同位素——182Hf衰变到了182W。这使得地幔相对于地核中的钨额外增加了182W。
但是，检测钨同位素变化所需的分析是极具挑战性的，因为正在研究的是182W/184W百万分之一的比例变化，而岩石中钨浓度低至十亿分之几十。世界上只有不到五个实验室能够进行这种分析。
泄露的证据
研究表明，在地球生命周期内，地幔的 182W/184W比值有显著变化，与现代地球的大多数岩石相比，古老时期岩石的 182W/184W要高得多。
地幔的 182W/184W变化表明，钨从地核泄露到地幔已经有一段时间了。
有趣的是，在地球最古老的火山岩中，地幔的钨同位素没有显著变化。这表明，从43亿到27亿年前，很少或根本没有物质从地核转移到上地幔。
但在后来的25亿年里，地幔的钨同位素组成发生了显著的变化。研究人员推断，大约26亿年前，在太古宙末期，板块构造的变化触发了地幔中足够大的对流，因此改变了所有现代岩石的钨同位素。
为什么会泄露？
如果地幔柱从地核-地幔边界上升到地表，那么由此推断，地球表面的物质也必然下降到深地幔中。
俯冲作用（Subduction）是地球表面岩石下降到地幔的一个专有术语，它将地表富氧物质作为板块构造的一个组成部分带入深部地幔。
实验表明，地核-地幔边界处氧气浓度的增加可能致使钨从地核中分离出来，进入地幔。
另外，内核凝固也会增加外核的氧浓度。在这种情况下，新结果可以告诉我们一些关于地核演化的过程，包括地球磁场的起源。
图像显示了地核和地幔之间的钨同位素比值的差异，以及地核是如何将物质泄漏到地幔柱中。图片来源：Neil Bennett
地核最初是完全液态的金属，随着时间的推移，逐渐冷却并部分凝固。磁场由内固体核心的自旋产生。内核结晶的时间是地球和行星科学中最难回答的问题之一。
该研究提供了一个示踪剂，可用于研究地核-地幔层相互合作和地球内部动力学的变化，并可以增进我们对磁场产生方式和产生时间的理解。
蝌蚪五线谱编译自cosmosmagazine，译者 李彤馨，转载须授权
