近期，美国伍兹霍尔海洋研究所的F. Horton教授在加拿大巴芬岛上的火山岩中发现迄今为止最高的3He/4He比值，达67Ra（大气中3He/4He比值为1Ra）。该成果发表在《自然》杂志上，题为“Highest terrestrial 3He/4He credibly from the core”。该文章不仅引起地球科学界极大的兴趣，也在公众中激起了一些有趣的思考：

如果地球的核心真的释放出了如此高比例的3He，那么地球的重量会不会因为氦气泄漏而减轻，从而导致地球引力减弱，卫星轨道发生变化等？这些3He是否具有放射性？它们会不会污染大气，影响我们的呼吸？或者，它们会不会渗透到地下水中，影响我们的饮用水安全？

此外，3He在核聚变反应中具有巨大的潜力，它在产生巨大的能量的同时，几乎不产生放射性废物，一直被视为未来清洁能源的希望。地球内部的3He是否具有被开采利用的价值？现在开发利用地球上的3He资源面临哪些挑战？

虽然这篇文章所提到的问题还需要更进一步的研究，但它确实引发了人们对地球未来和能源利用的深思。在这样的背景下，我们不得不重新审视氦气这一神秘而珍贵的元素。

地球上3He的成因及来源

氦（Helium，化学符号He）是一种化学元素，原子序数为2，是宇宙中第二轻的元素，仅次于氢。氦有两种主要的同位素，氦-3（3He）和氦-4（4He）。4He是最常见的同位素，主要是由铀（U）、钍（Th）等元素放射性衰变产生的。而3He则相对稀少，我们认为地核、地幔中含有较高浓度的3He，它们主要来源于地球形成早期的吸积阶段。

在原始太阳星云形成后，地球的初始物质，如分子云中的尘埃和气体处于太阳星云的旋转盘。这些尘埃和气体在随原始太阳旋转过程中逐渐聚集形成了地球原始核心，这是地球的吸积阶段，在这个过程中地球积累了大量原始的宇宙物质，其中包含大量3He。

太阳系演化过程示意图（图片来源：NASA）

接下来通过星际物质的不断碰撞和融合，地球的前体逐渐形成，这个过程伴随着大量的能量释放和物质的加热，导致了地球的部分熔融，也使地球内部经历了分层过程，根据密度的不同分为地壳、地幔、外核和内核。在这个过程中由于地球深部的3He相对较难逃逸，导致地核、下地幔中的原始氦有所保留。

地球上氦同位素分布特征

地球上的氦同位素分布主要涉及到几个主要储库，包括大气、地壳、地幔和地核。

大气中的氦同位素相对稳定，其比值范围变化较小。这使得大气中的氦同位素成为一个相对恒定的标准，便于测量和比较。大气中的氦同位素比值为3He/4He=1.39×10^-6，通常以Ra表示(1Ra=1.39×10^-6)。

地壳中的氦同位素主要是由放射性元素的衰变过程产生的4He，其中最重要的放射性母体是铀和钍。由于地层中铀和钍元素的不均匀分布，导致地壳中不同地层的氦同位素比值并不相同。地壳中3He含量极少，3He与4He比值范围为0.02Ra～1Ra。

地幔中的氦同位素比值受到地球形成过程中原始气体的影响，3He含量较地壳中更高，一般为7Ra～9Ra，下地幔中氦同位素比值往往大于10Ra，因此地幔中的氦同位素比值反映了地球在形成时所保留的氦同位素特征；地核是地球内部的最内层区域，主要由铁和镍等重元素组成。由于直接采样地核物质几乎是不可能的，对地核中氦同位素比值的研究相对有限，直接进行地核样品中氦同位素比值的检测仍然是一个具有挑战性的问题。

自然界各个储库中氦同位素比值范围 （图片来源：Sano et al., 2013）

氦在地球各个圈层中的迁移

氦气在地球的地幔、地壳和大气中的迁移是一个涉及地球内部过程和地表现象的复杂过程。虽然地核、地幔中相对富含原始成因的3He、地壳中相对富含放射成因的4He，但是大气、地壳、地幔和地核中的氦在一定程度上是相互混合的。这样的氦循环迁移过程受到地球内部的热对流、板块运动和地质活动的影响，构成了地球圈层间氦同位素的复杂交换与循环系统。氦气在各圈层中的迁移情况如下：

1.地幔中的氦气迁移

地幔是地球内部最厚的一层，位于地壳下方，主要由固态岩石组成，但在高温高压下具有一定的塑性。氦气在地幔中的运移主要受到以下几种力量的驱动：

• 对流作用：地幔内部的热对流可以携带氦气向上移动，接近地壳。

• 岩石的扩散：氦气可以通过岩石的微观裂缝和孔隙扩散到地壳。

• 地幔柱：地幔柱是地幔内部的热柱，它们可以将深部的氦气带到地表附近。

2.地壳中的氦气迁移

地壳是地球表面的最外层固体部分，由各种岩石组成。氦气从地幔上升到地壳后，其运移方式主要包括：

• 裂缝和断层：地壳中的裂缝和断层为氦气提供了上升的通道。这些裂缝可能是由地壳运动造成的，例如板块构造活动。

• 火山活动：火山喷发时，地幔中的氦气可以通过岩浆上升到地表。这是氦气从地幔到地壳的一个重要途径。

• 地热活动：在地热活跃区域，如温泉和热液喷口，氦气可以通过热液循环系统从地壳深部释放到地表。

3.大气中的氦气迁移

当氦气到达地表后，它就进入了大气层。在大气中，氦气的迁移移受到以下因素的影响：

• 大气循环：氦气随着大气气流的水平和垂直运动而传播。在对流层，氦气可以被风吹送到很远的地方。

• 温度梯度：由于氦气的密度较低，它会倾向于上升到大气的较高层，如平流层。

• 降雨过程：大气中的氦气能够融入云层的水滴中，通过降雨重新回到地表，并渗入地壳中。

地球各个圈层中稀有气体同位素及其运移过程 （图片来源：Cao et al., 2020）

发现高3He/4He比值的科学意义

巴芬岛玄武岩中高3He/4He比值可能与地球深部、原始成因的氦相关联，是第一次发现可能的地核氦。根据现有研究，这一发现可能与巴芬岛地壳中的特殊成分和地质历史有关。高氦同位素比值可能反映了该地区地幔物质上升的过程，进一步揭示了地球内部的地质活动。

将来，会有更多研究人员对该地区的玄武岩进行更深入的研究，以探索这一现象背后的详细机制，并从中汲取更多关于地球演化和壳幔相互作用的信息，这些信息有望为认识地球起源和演化提供新的视角和证据，为研究地球内部物质的来源和分布提供重要线索，对地球内部结构和动力学过程的研究也具有重要意义，最终提升人类对地球乃至宇宙的认知。

地幔对流驱动板块运动模式图 （图片来源：陈凌 等, 2020）

3He“泄露”会导致地球变轻、环境污染吗？3He资源是否可以被开发利用？

现在我们可以回答文章开头提出的问题了。

即使这篇文章中得出的结论是真的，地球的核心正源源不断释放出高比例的3He，地球的重量也并不会因为氦气的泄漏而显著减轻。地球的质量大约是5.97 × 10^24千克，而氦气在地球大气中的含量非常微小，即使有泄漏，对地球整体质量的影响微乎其微。至于引力减弱和卫星轨道变化，这些现象只有在地球质量发生巨大变化时才会出现，而氦气的泄漏远远达不到这样的程度。

关于氦气的放射性，3He本身并不具有放射性，它是一种稳定的同位素，这意味着它不会像某些放射性元素那样释放出有害的辐射。因此，氦气泄漏到大气中不会对我们的呼吸造成影响，也不会污染地下水，影响饮用水的安全。

提到对3He的利用，它确实是一种具有巨大潜力的能源。3He可以和氢的同位素发生核聚变反应，且在聚变过程中不产生中子，放射性小，反应过程易于控制，既环保又安全，是很难得的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料。但是，开采地球上的3He资源面临技术和经济上难点：

1.稀有性:

3He在地球大气中的丰度非常低，仅为10^-11体积分数，使得从大气中提取3He成本高昂且技术难度大。

2.高成本:

由于3He的稀有性和提取难度，开采和生产天然气中的3He成本非常高。这使得3He在目前的技术和经济条件下难以成为商业性的能源来源。

3.国际合作难度:

由于3He资源的分布并不均匀，有些国家可能拥有更多的3He资源。因此，开采和利用3He可能涉及国际间的谈判、协议和合作，因为资源的分布和获取可能引发地缘政治问题。

月球土壤中蕴含大量3He资源 （图片来源：Fa et al., 2010）

不过科学家发现在月壤中存在大量3He，我们实验室也参与了对嫦娥五号采集的月壤样品的分析研究工作，其中的氦同位素比值远高于巴芬岛火山岩中的氦同位素比值。月壤中的3He浓度很高，目前许多科学家在考虑如何开发月壤中的氦，虽然目前还面临一些工程技术难题，但是相对于利用地球上的3He来说更为现实。

注：文中3He/4He，数字均为上角标

参考文献:

[1]Horton F., Asimow P. D., Farley K. A. et al., Highest terrestrial 3He/4He credibly from the core. Nature, 2023, 623(7985):90-94.

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作者：曹春辉 高级工程师

作者单位：中国科学院西北生态环境资源研究院