麻省理工学院的研究人员发现了在地球灾难性形成之前就已存在的那颗行星的罕见残余物。

在地球上一些最古老的岩石中，检测到了远古钾同位素失衡的痕迹。这些化学线索表明，在造就现代地球的巨大撞击事件中，有少量原始地球物质幸存了下来，为我们揭示了地球早期历史的冰山一角。

原始地球残余物的发现

麻省理工学院及多家国际机构的科学家发现了极为罕见的“原始地球”痕迹。所谓“原始地球”，即约45亿年前存在于宇宙中的地球早期形态。在经历一场巨大撞击彻底改变其构成、并塑造出我们如今所知的世界之前，这颗早期地球便已形成。相关研究成果发表于《自然·地球科学》杂志，为探究塑造早期地球乃至整个太阳系的原始物质提供了全新视角。

数十亿年前，太阳系尚是一团旋转的气体与尘埃云。随着时光流转，这些物质逐渐凝聚，形成了首批陨石。这些早期的太空岩石最终融合，孕育出了原始地球以及围绕太阳运转的其他行星。

在地球形成初期，它是一个炽热熔融、火山频发的世界。不到一亿年后，一颗火星大小的天体与地球发生了壮观的“巨型撞击”。这一事件熔化并混合了地球内部，几乎抹去了其初始的所有化学成分。长期以来，科学家们一直认为，这次撞击彻底摧毁了原始地球残留的所有碎片。

古老岩石中的惊人印记

麻省理工学院研究团队的这一发现，对这一长期以来的观点提出了挑战。研究人员在地球上一些最古老的岩石中发现了一种不同寻常的化学模式，即钾同位素失衡，这与如今地球上发现的大多数物质都不相符。研究团队在从古老深层岩层中采集的样本中发现了这一细微差异。他们得出结论，钾元素的变化不可能是由后来的撞击事件或地球内部任何已知的地质活动所导致的。

证据指向了一种惊人的可能性：这些岩石或许保存了原始地球的物质，完整无损地经历了地球狂暴的形成与演化过程。

保留一份原始星球的印记

麻省理工学院地球与行星科学系保罗·M·库克职业发展助理教授妮可·聂（Nicole Nie，音译）表示：“这或许是我们首次直接获取到原始地球物质得以留存的证据。我们目睹了远古地球的一隅，甚至可追溯至巨型天体撞击事件之前。这一发现令人惊叹，因为我们原以为地球早期演化过程中，这些古老印记会逐渐消弭殆尽。”

该研究团队成员还包括中国成都理工大学的王达、卡内基科学学会（位于华盛顿特区）的史蒂文·希雷（Steven Shirey）和理查德·卡尔森（Richard Carlson）、苏黎世联邦理工学院（位于瑞士）的布拉德利·彼得斯（Bradley Peters），以及斯克里普斯海洋研究所（位于加利福尼亚州）的詹姆斯·戴（James Day）。

出现了一桩离奇怪事

2023年，聂女士及其同事对从世界各地收集并悉心研究过的诸多主要陨石展开了分析。在撞击地球之前，这些陨石可能形成于太阳系不同时期、不同地点，因而能够反映太阳系随时间变迁的状况。研究人员将这些陨石样本的化学成分与地球进行对比后，发现其中存在“钾同位素异常”现象。

同位素是元素的一种细微变体，它们拥有相同数量的质子，但中子数量却各不相同。钾元素在自然界中存在三种同位素，其质量数（质子数加中子数）分别为39、40和41。无论在地球上的哪个角落发现钾元素，它都以一种特定的同位素组合形式存在，其中钾-39和钾-41占据绝对主导地位。钾-40虽然也存在，但相比之下，其占比微乎其微。

聂及其同事发现，他们所研究的陨石中钾同位素比例与地球上大多数物质存在差异。这种钾同位素异常现象表明，任何呈现类似异常特征的物质，其形成年代很可能早于地球当前的物质构成。换言之，钾同位素比例失衡可作为重要标志，用以识别巨型撞击事件重塑地球化学组成之前、原始地球时期的物质遗存。

聂解释道：“在那项研究中，我们发现不同陨石的钾同位素特征各异，这意味着钾可以作为追踪地球构成物质的示踪剂。”

“与众不同”：地球深处的化学奥秘

在当前研究中，研究团队并未在陨石中探寻钾元素异常的迹象，而是将目光投向了地球内部。他们的样本包括来自格陵兰岛和加拿大的粉末状岩石，这些地区保存着一些最为古老的岩石。此外，他们还分析了从夏威夷采集的熔岩沉积物，夏威夷的火山将地球早期、最深层的物质从地幔（这层厚实的岩石层将地壳与地核分隔开来）带到了地表。

聂表示：“如果这种钾元素的特征能够得以保留，我们就会想要在远古时期和地球深处寻找它的踪迹。”

古老岩石，现代工具

研究团队首先将各类粉末样本溶解于酸液中，随后从样本残余物中精准分离出钾元素，并运用特种质谱仪测定钾元素三种同位素的丰度比值。令人瞩目的是，他们在样本中检测到一种异于地球多数物质所呈现的同位素特征谱系。

具体而言，他们发现钾-40同位素存在缺失。在地球上大多数物质中，与其他两种钾同位素相比，钾-40同位素所占比例本就微乎其微。但研究人员能够察觉到，他们的样本中钾-40的含量比例甚至更低。探测到如此微小的缺失，就好比在桶里发现了一粒棕色沙子，而非一捧黄色沙子。

研究小组发现，这些样本确实存在钾-40的缺失，这表明，与如今我们在地球上看到的大多数物质相比，这些物质“构造迥异”，聂（研究者姓氏音译）说道。

但这些样本会是原始地球罕见的残余物质吗？为解答这一问题，研究人员假设情况确实如此。他们推断，如果原始地球最初是由这种缺乏钾-40的物质构成，那么大部分此类物质会因巨大的撞击及随后较小的小行星撞击而发生化学变化，最终形成如今我们所见到的富含钾-40的物质。

模拟地球炽热的过往

研究团队利用所有已知陨石的成分数据，模拟了这些陨石撞击以及巨型撞击事件发生后，样本中钾-40的缺失量将如何变化。他们还模拟了地球随时间推移所经历的地质过程，如地幔的加热与混合。最终，他们的模拟结果产生了一种成分，与来自加拿大、格陵兰和夏威夷的样本相比，其钾-40的比例略高。更重要的是，模拟成分与大多数现代材料的成分相吻合。

这项研究表明，钾-40含量不足的物质很可能是原始地球遗留下来的原始物质。

失踪陨石之谜

令人好奇的是，这些样本的特征与地质学家收藏中的任何其他陨石都不完全吻合。尽管研究团队先前研究的陨石呈现出钾元素异常，但这些异常与原始地球样本中观察到的钾元素缺失情况并不一致。这意味着，无论最初构成原始地球的是何种陨石和物质，目前都尚未被发现。

聂表示：“科学家们一直试图通过结合不同组别陨石的成分来了解地球最初的化学构成。”“但我们的研究表明，目前所掌握的陨石样本并不全面，对于地球的起源，我们仍有许多未知领域有待探索。”

参考文献：达·王（Da Wang）、妮可·X·聂（Nicole X. Nie）、布拉德利·J·彼得斯（Bradley J. Peters）、詹姆斯·M·D·戴（James M. D. Day）、史蒂文·B·希雷（Steven B. Shirey）及理查德·W·卡尔森（Richard W. Carlson）所著《钾-40同位素证据表明地球地幔中存在巨型撞击前的现存成分》，发表于2025年10月14日《自然·地球科学》期刊。 DOI：10.1038/s41561-025-01811-3

这项工作部分得到了美国国家航空航天局（NASA）和麻省理工学院（MIT）的资助。