探索地球，可先从区分³He和⁴He入手- 大数跨境

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探索地球，可先从区分³He和⁴He入手

中科富海

2023-04-24

正文共3338字，预计阅读时间约为11分钟

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He从太阳来，我们却在月亮上继续找它，希望有一天用在地球上。

从这一拧巴的路径，不难看出人类对这一元素周期表排名第二元素——氦（Helium）的孜孜追寻。（点击此处了解科学家对氦的发现与利用过程）

今天，我们书接上回，先暂时不提上月球开发He的事情，而是脚踏大地，看看区分不同的He同位素能对我们探索地球有何作用。

图1. 不同的稀有气体在放电或激发下会产生不同的光谱颜色，因此可以用光谱颜色来区分不同的气体。（氦（He）：橙黄色；氖（Ne）：橙红色；氩（Ar）：蓝紫色；氪（Kr）：灰蓝色；氙（Xe）：蓝绿色。）

宇宙中第二的元素，

地球上为什么如此稀有？

先来看看氦在地球上多不多。继氢原子之后，氦是可观宇宙中第二轻且含量第二高的元素，在全宇宙的元素质量中大约占了24%。但是，在地球系统中，氦元素非常稀有，在大气中的体积百分比约只占百万分之五左右。

为何如此？这是因为氦很 “轻”，地球的引力不足以将其吸引留在大气层中，为其逸散到太空中创造了条件。同时，高层大气中的氦在太阳风轰击下电离，随后随着地球磁感线逃逸（太阳风是由太阳大气层中的高温等离子体流出的带电粒子流）。加上氦很“高冷”，无法通过化学反应与其他物质结合并留存在地球表层。跑得了，留不住，这让氦在地球上变得稀缺。

相比之下，氢元素虽然更轻，但它可以形成化合物，比如与氧结合形成水，与碳结合形成各种碳氢化合物，尤其是有机物等等。因此，地球上存有大量的氢元素，但氦元素却很稀少。

图2. 氦是宇宙演化过程的产物，恒星内部的核聚变是宇宙中元素演化的一个重要过程。通过核聚变，氢元素可以聚变成氦元素，而氦元素又可以进一步发生核聚变生成更重的元素（图片来源：科技日报）

氦同位素比值是如何测量的？

要想知道如何利用氦同位素探索地球的奥秘，我们还是首先得知道氦的同位素比值怎么测量。

同位素是指具有相同数量质子数而不同数量中子数的核素或原子，在元素周期表上占据同一个位置，同位素比值就是某种元素不同同位素原子的数量比例，比如说³He/⁴He比值就是氦元素的³He和⁴He两种同位素的原子的数量比例。同位素比值的测量可以用于确定物质或者样品的年龄、地质年代、地球化学过程、生物学过程等。

不过，由于地球系统稀有气体含量极低，导致对其进行测量分析变得非常困难。测量氦的同位素比值要用到稀有气体质谱仪，这是一种很神奇的仪器，可以测量包括氦、氖、氩、氪和氙等稀有气体同位素的比例。为了应对这个测量难题，稀有气体质谱仪采用了静态真空和高分辨率的技术，使分析测试变得更加精确和可靠。

测试流程如下：首先，将含有稀有气体的待测样品加热或通过激光照射，促使相关稀有气体释放出来。然后，这些释放出来的气体会被送入气体处理系统进行净化和分离，以去除杂质。接下来，纯化后的稀有气体会被送入质谱仪主机中。在主机中，气体会被电子轰击产生形成He离子，随后，电磁场会按不同的质量将离子分离，按照一定程序使用不同的检测器测量具有不同质量的离子信号。从而就可以得到稀有气体各种同位素的比值。

图3. 用于稀有气体同位素测量的静态真空质谱计（图片来源：中国科学院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心）

下一步：区分³He和⁴He

在解决测量问题后，我们就得到了区分不同来源氦的手段了。

氦元素有8种同位素，其中只有两种同位素是稳定的，分别是⁴He和³He。其他的同位素是不稳定的，这意味着它们会放射出能量，并且很快就会消失。在地球系统内，⁴He和³He有两种主要来源。

一种是原始的³He，是在宇宙大爆炸时产生的，也在恒星内部聚变时产生。它主要存在于地球内部，可以通过火山或深海热液释放到地表。另一种是放射性成因的⁴He，是由地壳中放射性元素（例如钍铀钾）衰变时释放出来的粒子形成。这种⁴He主要存在于地壳，特别是沉积盆地中，可以通过断裂或地质流体释放到地表。

地球上的氦气一般都由⁴He和³He组成。不同来源的氦气的³He/⁴He比值存在显著差异。原始的氦气，比如来自太阳系物质的氦气，其³He/⁴He比值通常较高，约为10^-4左右。

这是因为在太阳系形成时，氦的同位素比例被固定下来，因此可以用其来判断太阳系物质的起源和演化。放射性成因的氦气，如地球内部产生的氦气，其³He/⁴He比值通常较低，约为10^-8到10^-7之间。这是因为地球内部产生的氦气主要是来自放射性衰变的⁴He，而放射性同位素的衰变会导致氦同位素比例发生变化。

图4. 地球的层状结构（图片来源：参考文献12）

用氦同位素，研究地球的内部

在了解不同来源的氦气的³He/⁴He比值存在显著差异之后，我们便可以在这个基础上探索地球内部的物质演化和循环。

举例来说，人们可以对不同地区来自地幔的样品中进行氦同位素比值的测量，进而研究地幔物质的来源和演化历史。如果一个地区的氦同位素比值比平均水平高，那么可能表示该地区测试样品来自较原始的地幔物质；反之，如果比值较低，那么可能表示该样品所代表的具体地区经历了较多的物质混合和再循环作用。

例如，在夏威夷岛上，火山岩石中的氦气同位素比值竟然高达大气水平的40 倍甚至更高，表明夏威夷岛的火山岩浆可能是来自地球深层、原始或独特的地幔物质，并形成独特的火山岩（地质学者称其为热点）。

而在大西洋的洋中脊上，海底玄武岩中的氦气同位素比值只有大气水平的8 倍，可能表示大西洋洋中脊来自一个相对较浅的层位、并伴有混合、或者普通的地幔源头。

图5. 元素周期表排名第二的元素——氦He （来源：视觉中国）

利用氦同位素，还能干点啥？

虽然氦同位素在地球化学研究中的应用已经有了很大的发展，但仍有很多未知的领域需要我们去探索。例如，我们仍然不知道地球内部的某些区域的氦同位素组成和分布情况，以及地球演化对它们的影响。

此外，氦同位素也可以用于研究地球外的天体，例如太阳系中的行星和陨石，从而更好地理解宇宙的形成和演化过程。

氦同位素技术目前广泛应用于地球科学、宇宙科学和核科学等领域的研究。比如，我们可以测定岩石、地下水或陨石中的稀有气体同位素比例，推断它们的形成年代、来源和演化过程。不同来源的氦气有不同的同位素比值，因为它们在地球内部经历了不同的演化过程。通过测量稀有气体同位素比例，我们可以探究地球内部的运动和演化，判断矿床的成因和分布，甚至预测地震和火山喷发的可能性。

不过，未来的氦同位素地球化学也可能面临一些挑战，大致包括以下几个方面：①提高氦同位素分析的精度和灵敏度，以满足对极低丰度样品的测定需求；②拓展氦同位素在不同介质（如岩石、流体、气体、生物等）中的应用范围和深度，以揭示更多的地球科学问题；③探索氦同位素与其他稀有气体同位素（如氖、氩、氪、氙等）之间的耦合关系，以增强对地球系统复杂过程的理解。

珍惜氦气，保护氦气，

绝对不是说说而已

氦气是一种重要的战略资源，全球供应非常集中。它广泛应用于航空航天、半导体产业、尖端科研等领域，是国防军工和高科技发展所必需的战略性物资。

图6. 核磁共振技术需要使用液体氦冷却磁体，以保持超导状态，从而使磁体能够产生强大的磁场。而这些液体氦必须定期加注，以维持恒定的温度和压力，以确保核磁共振仪的正常运行。

遗憾的是，我国是一个贫氦国家，氦气资源比较匮乏，其氦资源仅占全球总量的2%，目前大部分氦气都依赖进口。为满足我国对氦气不断增长的需求，中国的科学家们正在不断寻找新的氦气资源，并努力开发更高效的氦气富集和利用技术，改变我国氦气资源研究、评价、勘探程度较低，资源量和储量情况基本不明的面貌。

对普通大众而言，我们也可以在日常生活中做一些小事来保护氦气资源。比如少买或不买充满氦气的气球，因为这些气球一旦飘到空中就会将宝贵的氦气释放到大气层中，无法回收利用。下次和孩子一起出去，我们可以尝试一些更有趣和创意的活动，避免浪费宝贵的氦气资源。毕竟，氦气可不是只能用来吹气球的，让宝贵的资源到更需要的地方去，是保护氦气的应有之义。

参考文献:

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13.10000个科学难题·地球科学卷.2010. “10000 个科学难题”地球科学编委会. 北京: 科学出版社.

作者：李中平

作者单位：中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心

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