南洋理工大学的研究团队通过模拟极端压力下的铅硫行为，发现消失的原始铅元素可能隐藏在地球地幔深处，而非全部沉入地核。
地质学家长期以来一直依靠不同形态的铅来理解地球的地质历史，以及这颗行星在数十亿年间是如何形成的。然而，有一个谜团几十年来一直困扰着科学家：地球似乎丢失了大量本应存在于地壳中的铅，而没人知道它们去哪了。
最近，由新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)环境学院(ASE)领导的一项突破性研究，可能终于为这个长期存在的谜题提供了新见解。这项研究发表在《自然·通讯》杂志上。通过探索铅在地球内部巨大压力下的行为，研究人员发现，地球最古老化学秘密的答案，实际上可能就隐藏在我们脚下的地幔层中。
这涉及到一个“消失的铅”悖是否存在悖论。铅及其各种形式(统称为铅同位素)是探寻地球地质历史和形成过程最有效的工具。它们可以帮助确定岩石的年龄，并追踪物质在地壳、地幔与地核之间的运动。
铅共有四种形态，其中三种——被称为铅-206、铅-207和铅-208的同位素——是放射成因的，这意味着它们是由铀或钍的放射性衰变产生的。这种衰变过程涉及元素原子随时间分解并释放辐射，最终转化为铅原子。相比之下，第四种形式的铅，即铅-204，是地球形成之初就存在的“原始”铅，它不是由放射性衰变产生的，因此属于非放射成因。
放射性衰变以恒定的速率发生，因此可以充当一种“地质时钟”。科学家可以通过测量由铀衰变产生的铅与地球原始铅的比例，来推算岩石的年龄。简单来说，如果一块岩石含有大量来自铀的铅，但几乎没有原始铅，那么这块岩石就被视为“年轻”的；反之，如果含有大量原始铅，而来自铀的铅很少，那么这块岩石就是古老的。
当我们将地球表面岩石中的铅含量与帮助地球形成的古老陨石样本进行对比时，“消失的铅”悖论便出现了。目前，地表岩石中含有过多的“年轻”铅(如铅-206和铅-207)，其含量远超理论预测值。这给人一种错觉，认为相对于这些古老陨石，地球比预期的要年轻得多，而这显然是不符合事实的。此外，地表“年轻”铅的过剩也意味着，地球大量的古老原始铅似乎失踪了。
多年来，一个主流理论认为，这些古老的铅在地球形成过程中沉入了铁质地核。虽然“地核理论”是一个广受欢迎的模型，但它无法完全解释铅是如何到达地核并能在那里存在数十亿年的机制。那么，是否还有另一种解释呢？
为了寻找这些失踪的铅，由南洋理工大学教授 Simon Redfern 和前研究员 Liu Smu 博士领导的研究团队，将重点放在了硫化铅(PbS)的行为上。由于铅天然具有与硫高度亲和的特性，更容易以硫的化合物形式存在，因此硫化铅是铅在地球内部存储的一种极具可能性的载体。
通过计算机模拟，研究人员展示了硫化铅在极端压力下会变得异常稳定，而这种条件恰好存在于地球深处的地幔中。事实上，它在高达5000摄氏度的温度下仍能保持固体状态，这远高于地幔的实际温度。这表明，古老的铅储备可能在地球历史早期就已形成，并随后躲藏在地幔深处，处于地壳中的铀和钍无法触及的隐蔽位置。因此，这些古老的铅不太可能贡献到地表岩石中发现的原始铅水平，这也解释了为什么地表观测到的数值低于预期。
团队的计算机模拟还预测了两种完全崭新的铅硫矿物化学结构，称为多硫化物(PbS₂和PbS₃)，它们可以在地球地幔中形成。这些化合物预计会在地幔中含硫量较高的区域、在高压条件下生成。其中一种矿物(PbS₂)在类似上地幔的条件下很可能保持固体；而另一种铅硫化合物(PbS₃)的熔点较低，偶尔会转化为液体。因此，当它向地球表面移动时，可能会携带少量的古老铅“渗漏”到地壳中，这或许解释了为什么我们今天在火山岩中偶尔能发现如此古老的铅痕迹。
由于我们无法深入地下数千公里去实地考察，研究人员求助于先进的计算机模拟技术。他们使用了名为 CALYPSO 的复杂软件，该软件仅需化学成分和外部条件即可预测物质结构。这使得团队能够预测不同比例的铅和硫原子在极端地下压力下的行为。通过严密的计算方法，研究证明这些理论上的高压硫化物是热力学可行的矿物，能够承受地球内部数十亿年的剧烈扰动。
这项发现对地质学而言是一个重大时刻。它表明消失的铅可能就安稳地待在地幔深处。同时，这也帮助科学家理解了为何在火山岩中能发现极古老的铅信号——那是由于古老铅“渗漏”到表面的结果。此外，这一发现还具有宇宙意义，因为它改变了我们对行星化学的认知。了解硫如何在地壳、地幔和地核的分布中发挥关键作用，可以让我们将此知识应用于火星等其他岩石行星，从而深化对其他行星化学演化的理解。
下一步，研究团队计划在实验室中重建地球地幔的极端条件，以验证计算机预测，并同时改进模型，以更清晰地描绘地球各层分离的时间和过程。他们还将继续寻找由构造运动或火山活动带回的岩石样本中是否存在这些矿物的进一步证据。寻找地球失踪铅的过程，正是我们迈向深入了解这颗行星的重要一步。
