地幔深处受压稳定的隐匿铅贮库

为什么深埋地下的隐匿铅很重要

深埋在脚下的铅保存着关于我们星球形成与演化的重要线索。几十年来，科学家一直被一个难题困扰：我们能从地球岩石中采集到的铅显示出比预期更“放射生成”的特征，仿佛大量原始、非放射生成的铅不见了。本文探讨了这样一种可能性：这些“失踪”的铅并非如常假设的那样都在地核里，而是被困在一种只有在地球深地幔巨大压力下才会稳定的特殊铅—硫化物矿物中。

长期未解的地球铅之谜

地球化学家利用由铀和钍缓慢放射性衰变产生的不同铅同位素，作为研究地球历史的“钟表”和示踪物。当他们将可取样的地幔岩石与大陆地壳中的铅同位素与原始陨石对比时，可获得的地球样本显得放射生成铅过多。这一“失铅悖论”暗示着存在一个老旧、非放射生成铅的大型贮库，位于难以到达之处。此前的观点主要把这个贮库放在金属地核中，但实验与分配计算显示，仅靠地核无法藏下足够的铅。这就指向了行星岩石层内部另一个尚未被发现的贮存体。

在极端压力下出现的新型铅—硫化物矿物

作者利用强大的计算方法，搜索了铅和硫原子在从地表到地核—地幔边界的极高压力下可能实现的所有稳定排列方式。他们证实，方铅矿（PbS）——一种表面常见的矿石——在这一广泛压力范围内仍然稳定，并随着压力增加经历数种更致密的晶体结构转变。更有趣的是，他们发现另外两种化合物PbS2和PbS3只在高压下变得稳定，且含有异常的硫原子链和团簇。对这些相的振动特性计算表明它们在动力学上是稳定的，而电子结构显示电子在硫单元内部高度共享，这有助于这些矿物在深地幔受压时的稳定性。

这些矿物在高温行星内部的行为

为了检验这些相是否可能存在于地球中，研究组计算了它们不仅对压力也对高温的响应，构建了相图并估算了熔点。结果表明，PbS极为耐火：即便在接近地核—地幔边界的条件下仍保持固态，无原子扩散迹象，意味着一旦结晶便能持续数十亿年。PbS2也相对不易熔融，在上地幔和下地壳中可保持晶态。相比之下，PbS3的熔点位于估计的地幔温度之下或附近，因此在深处很可能部分以熔体形式存在。总体而言，这些不同的行为为一种既能牢牢封存铅又会偶尔向地表泄漏少量铅的体系提供了条件。

深部贮库与缓慢的回流通道

作者提出了一个行星演化的叙事，起始于地球早期的岩浆海与地核形成。在那段炽热的初期，铅倾向于进入富硫液体，其中一部分可能被带入地核。但他们的计算表明，大量铅可能被困在沉降于深地幔的致密PbS晶体中，与铀和钍安全分隔，从而保留其古老的同位素特征。地球后期，俯冲过程将额外的硫带入地幔，形成富硫口袋，使PbS能发生反应生成PbS2，尤其是熔点较低的PbS3。随着PbS3部分熔化并随地幔流动向上迁移，它在较浅深度分解，释放出少量非放射生成的铅进入被火山岩取样到的区域。这种缓慢的“泄漏”有助于解释在一些地幔样品中罕见观测到的异常非放射生成铅。

这对我们地球认知的意义

简而言之，这项研究表明，不必诉诸一种只存在于地核的奇特贮库，就可以理解失铅悖论。相反，地球可能将大部分原始铅隐藏在深地幔中顽固的、受压稳定的铅—硫化物矿物里，而富硫反应则为部分古老铅随时间重返地表开辟了有限通道。这项工作将行星的氧化还原与硫循环与铅同位素的长期演化联系起来，并提示类似的高压硫化物贮库可能在其他岩质天体的化学演化中悄然发挥作用。

引用: Liu, S., Guo, M., Yu, S. et al. Hidden pressure-stabilized lead reservoirs in Earth’s mantle. Nat Commun 17, 2913 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69772-8

关键词: 铅同位素, 地球地幔, 硫化物矿物, 行星分异, 深部贮库