近期，美國伍茲霍爾海洋研究所的F. Horton教授在加拿大巴芬島上的火山岩中發現迄今爲止最高的3He/4He比值，達67Ra（大氣中3He/4He比值爲1Ra）。該成果發表在《自然》雜誌上，題爲“Highest terrestrial 3He/4He credibly from the core”。該文章不僅引起地球科學界極大的興趣，也在公衆中激起了一些有趣的思考：

如果地球的核心真的釋放出瞭如此高比例的3He，那麼地球的重量會不會因爲氦氣泄漏而減輕，從而導致地球引力減弱，衛星軌道發生變化等？這些3He是否具有放射性？它們會不會污染大氣，影響我們的呼吸？或者，它們會不會滲透到地下水中，影響我們的飲用水安全？

此外，3He在覈聚變反應中具有巨大的潛力，它在產生巨大的能量的同時，幾乎不產生放射性廢物，一直被視爲未來清潔能源的希望。地球內部的3He是否具有被開採利用的價值？現在開發利用地球上的3He資源面臨哪些挑戰？

雖然這篇文章所提到的問題還需要更進一步的研究，但它確實引發了人們對地球未來和能源利用的深思。在這樣的背景下，我們不得不重新審視氦氣這一神祕而珍貴的元素。

地球上3He的成因及來源

氦（Helium，化學符號He）是一種化學元素，原子序數爲2，是宇宙中第二輕的元素，僅次於氫。氦有兩種主要的同位素，氦-3（3He）和氦-4（4He）。4He是最常見的同位素，主要是由鈾（U）、釷（Th）等元素放射性衰變產生的。而3He則相對稀少，我們認爲地核、地幔中含有較高濃度的3He，它們主要來源於地球形成早期的吸積階段。

在原始太陽星雲形成後，地球的初始物質，如分子云中的塵埃和氣體處於太陽星雲的旋轉盤。這些塵埃和氣體在隨原始太陽旋轉過程中逐漸聚集形成了地球原始核心，這是地球的吸積階段，在這個過程中地球積累了大量原始的宇宙物質，其中包含大量3He。

太陽系演化過程示意圖（圖片來源：NASA）

接下來通過星際物質的不斷碰撞和融合，地球的前體逐漸形成，這個過程伴隨着大量的能量釋放和物質的加熱，導致了地球的部分熔融，也使地球內部經歷了分層過程，根據密度的不同分爲地殼、地幔、外核和內核。在這個過程中由於地球深部的3He相對較難逃逸，導致地核、下地幔中的原始氦有所保留。

地球上氦同位素分佈特徵

地球上的氦同位素分佈主要涉及到幾個主要儲庫，包括大氣、地殼、地幔和地核。

大氣中的氦同位素相對穩定，其比值範圍變化較小。這使得大氣中的氦同位素成爲一個相對恆定的標準，便於測量和比較。大氣中的氦同位素比值爲3He/4He=1.39×10^-6，通常以Ra表示(1Ra=1.39×10^-6)。

地殼中的氦同位素主要是由放射性元素的衰變過程產生的4He，其中最重要的放射性母體是鈾和釷。由於地層中鈾和釷元素的不均勻分佈，導致地殼中不同地層的氦同位素比值並不相同。地殼中3He含量極少，3He與4He比值範圍爲0.02Ra～1Ra。

地幔中的氦同位素比值受到地球形成過程中原始氣體的影響，3He含量較地殼中更高，一般爲7Ra～9Ra，下地幔中氦同位素比值往往大於10Ra，因此地幔中的氦同位素比值反映了地球在形成時所保留的氦同位素特徵；地核是地球內部的最內層區域，主要由鐵和鎳等重元素組成。由於直接採樣地核物質幾乎是不可能的，對地核中氦同位素比值的研究相對有限，直接進行地核樣品中氦同位素比值的檢測仍然是一個具有挑戰性的問題。

自然界各個儲庫中氦同位素比值範圍 （圖片來源：Sano et al., 2013）

氦在地球各個圈層中的遷移

氦氣在地球的地幔、地殼和大氣中的遷移是一個涉及地球內部過程和地表現象的複雜過程。雖然地核、地幔中相對富含原始成因的3He、地殼中相對富含放射成因的4He，但是大氣、地殼、地幔和地核中的氦在一定程度上是相互混合的。這樣的氦循環遷移過程受到地球內部的熱對流、板塊運動和地質活動的影響，構成了地球圈層間氦同位素的複雜交換與循環系統。氦氣在各圈層中的遷移情況如下：

1.地幔中的氦氣遷移

地幔是地球內部最厚的一層，位於地殼下方，主要由固態岩石組成，但在高溫高壓下具有一定的塑性。氦氣在地幔中的運移主要受到以下幾種力量的驅動：

• 對流作用：地幔內部的熱對流可以攜帶氦氣向上移動，接近地殼。
• 岩石的擴散：氦氣可以通過岩石的微觀裂縫和孔隙擴散到地殼。
• 地幔柱：地幔柱是地幔內部的熱柱，它們可以將深部的氦氣帶到地表附近。

2.地殼中的氦氣遷移

地殼是地球表面的最外層固體部分，由各種岩石組成。氦氣從地幔上升到地殼後，其運移方式主要包括：

• 裂縫和斷層：地殼中的裂縫和斷層爲氦氣提供了上升的通道。這些裂縫可能是由地殼運動造成的，例如板塊構造活動。
• 火山活動：火山噴發時，地幔中的氦氣可以通過岩漿上升到地表。這是氦氣從地幔到地殼的一個重要途徑。
• 地熱活動：在地熱活躍區域，如溫泉和熱液噴口，氦氣可以通過熱液循環系統從地殼深部釋放到地表。

3.大氣中的氦氣遷移

當氦氣到達地表後，它就進入了大氣層。在大氣中，氦氣的遷移移受到以下因素的影響：

• 大氣循環：氦氣隨着大氣氣流的水平和垂直運動而傳播。在對流層，氦氣可以被風吹送到很遠的地方。
• 溫度梯度：由於氦氣的密度較低，它會傾向於上升到大氣的較高層，如平流層。
• 降雨過程：大氣中的氦氣能夠融入雲層的水滴中，通過降雨重新回到地表，並滲入地殼中。

地球各個圈層中稀有氣體同位素及其運移過程 （圖片來源：Cao et al., 2020）

發現高3He/4He比值的科學意義

巴芬島玄武岩中高3He/4He比值可能與地球深部、原始成因的氦相關聯，是第一次發現可能的地核氦。根據現有研究，這一發現可能與巴芬島地殼中的特殊成分和地質歷史有關。高氦同位素比值可能反映了該地區地幔物質上升的過程，進一步揭示了地球內部的地質活動。

將來，會有更多研究人員對該地區的玄武岩進行更深入的研究，以探索這一現象背後的詳細機制，並從中汲取更多關於地球演化和殼幔相互作用的信息，這些信息有望爲認識地球起源和演化提供新的視角和證據，爲研究地球內部物質的來源和分佈提供重要線索，對地球內部結構和動力學過程的研究也具有重要意義，最終提升人類對地球乃至宇宙的認知。

地幔對流驅動板塊運動模式圖 （圖片來源：陳凌 等, 2020）

3He“泄露”會導致地球變輕、環境污染嗎？3He資源是否可以被開發利用？

現在我們可以回答文章開頭提出的問題了。

即使這篇文章中得出的結論是真的，地球的核心正源源不斷釋放出高比例的3He，地球的重量也並不會因爲氦氣的泄漏而顯著減輕。地球的質量大約是5.97 × 10^24千克，而氦氣在地球大氣中的含量非常微小，即使有泄漏，對地球整體質量的影響微乎其微。至於引力減弱和衛星軌道變化，這些現象只有在地球質量發生巨大變化時纔會出現，而氦氣的泄漏遠遠達不到這樣的程度。

關於氦氣的放射性，3He本身並不具有放射性，它是一種穩定的同位素，這意味着它不會像某些放射性元素那樣釋放出有害的輻射。因此，氦氣泄漏到大氣中不會對我們的呼吸造成影響，也不會污染地下水，影響飲用水的安全。

提到對3He的利用，它確實是一種具有巨大潛力的能源。3He可以和氫的同位素發生核聚變反應，且在聚變過程中不產生中子，放射性小，反應過程易於控制，既環保又安全，是很難得的清潔、安全和高效的核聚變發電燃料。但是，開採地球上的3He資源面臨技術和經濟上難點：

1.稀有性:

3He在地球大氣中的丰度非常低，僅爲10^-11體積分數，使得從大氣中提取3He成本高昂且技術難度大。

2.高成本:

由於3He的稀有性和提取難度，開採和生產天然氣中的3He成本非常高。這使得3He在目前的技術和經濟條件下難以成爲商業性的能源來源。

3.國際合作難度:

由於3He資源的分佈並不均勻，有些國家可能擁有更多的3He資源。因此，開採和利用3He可能涉及國際間的談判、協議和合作，因爲資源的分佈和獲取可能引發地緣政治問題。

月球土壤中蘊含大量3He資源 （圖片來源：Fa et al., 2010）

不過科學家發現在月壤中存在大量3He，我們實驗室也參與了對嫦娥五號採集的月壤樣品的分析研究工作，其中的氦同位素比值遠高於巴芬島火山岩中的氦同位素比值。月壤中的3He濃度很高，目前許多科學家在考慮如何開發月壤中的氦，雖然目前還面臨一些工程技術難題，但是相對於利用地球上的3He來說更爲現實。

注：文中3He/4He，數字均爲上角標

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作者：曹春輝 高級工程師

作者單位：中國科學院西北生態環境資源研究院