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从宇宙到地球：氦同位素在地球科学中的奇妙应用
地球上的“稀有珍品氦元素”背后隐藏着怎样的科学奥秘？
引言：浩瀚宇宙中，各种元素不断诞生和消亡，其中有一类元素自发现以来就备受关注，这就是稀有气体。提到稀有气体，大家可能首先想到的是：元素周期表中第ⅧA族元素，即：氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe），它们在自然界中非常稀有，不会与其他物质发生反应，又叫惰性气体等。但你有没有想过，为什么有的稀有气体在地球上非常稀少，而在宇宙中却非常普遍？你知道科学家是如何利用稀有气体同位素揭示地球演化历史吗？稀有气体同位素比值测量是如何实现？稀有气体又有哪些应用领域？人类如何获取这些珍贵的气体呢？其实每一种稀有气体都隐藏着神奇奥秘，相信你也好奇了吧！那就让我们一起走进稀有气体地球化学的神秘世界，本文我们将共同探讨氦同位素地球化学的奥秘！
1. 氦元素：地球上的“稀有珍品”背后隐藏着怎样的宇宙秘密？
氦的来历可以追溯到大约138亿年前的宇宙大爆炸。在这个时候，宇宙中只有两种元素，即氢和少量的氦。这些元素在宇宙空间中被引力聚集在一起形成恒星和星系。当恒星在它们的核心中燃烧氢时，会产生高温和高压的环境，这使得氢原子融合成氦原子。在恒星死亡并经历爆炸时，它们会释放出大量的氦和其他元素到宇宙空间中。
放眼整个宇宙，按质量计，“氦”能够占足足23%，但是在地球大气层中，氦的浓度十分低，只有体积比百万分之5.2（5.2ppmv）。这是因为氦的原子量比较小，它的分子速度比大气层中其他气体的速度要快，这使得它容易从地球大气层中逸出。
另外，氦气也是一种非常稳定的气体，它不易被地球大气层中的其他气体化学反应所吸附或转化，这也导致它不会在大气层中积聚。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，所以地球上的氢元素含量较高。
图2. 干空气是由氮气、氧气、氩气和其他几种少量的气体组成的混合物
2. 氦同位素比值，探索地球深处的秘密
由于地球上氦-3和氦-4有不同的来源，因此，不同来源的氦气的3He/4He比值存在显著差异，因此，通过分析从地球深处升至地表的氦气中3He/4He的比值，科学家可以了解地球深处的物质组成和运动情况，例如地壳运动、岩石的热和化学历史，以及地球演化历史等。原始的氦，比如来自太阳系物质的氦，其3He/4He比值通常较高。这是因为在宇宙形成时，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，如地壳中的氦气，其3He/4He比值通常较低，约为10^-8到10^-7之间。这是因为地壳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。
3. 如何利用氦同位素比值研究地球内部的物质演化和循环？
科学家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（科学家称其为“热点”）。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3 利用3He/4 He和40 Ar/ 36Ar比值来演示地幔物质运移和演化
氦同位素连同其他稀有气体（氖、氩、氪、氙）类似在地球化学研究中的应用已经有了不少进展，但目前仍有很多未知的领域需要我们去探索。例如，科学家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，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值，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。
作为普通大众，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时，我们可以尝试一些更有趣的活动，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哦，它还可以让飞行器升空、让核磁共振图扫描更精准、让射电望远镜观测更清晰。让我们一起来保护氦气资源，让它为科技发展、医学诊断和空间探索发挥更大的作用吧！