中国科学院曹春辉谈地球“漏气”：释放的是稳定核素，没有放射性污染

科技《思想大爆炸-对话科学家》栏目第50期，对话中国科学院西北生态环境资源研究院高级工程师曹春辉。

嘉宾简介：曹春辉，高级工程师，博士毕业于兰州大学矿物学、岩石学、矿床学专业，现就职于中国科学院西北生态环境资源研究院，主要从事稀有气体地球化学及稀有气体同位素分析技术研发工作。已在国内外期刊发表各类文章36篇，其中SCI收录17篇，授权发明专利10项，作为主要起草人制定行业标准2项，团体标准1项，参与编撰英文专著1部。

划重点：

1. 氦-3在1亿年前甚至更早的时候，就已经开始从地核向地壳、大气中泄漏，地球脱气这个问题早已是地球科学领域的共识。

2. 这一研究支持了目前关于地球形成、演化、及壳幔物质交换过程的主流科学理论，对于理解地球内部的物质来源和演化具有重要意义。

3.假设确实每年有大约2000克的氦-3丢失，相对地球质量来说，也是微不足道的。

4.氦-3可以进行热核聚变，在聚变过程中不产生中子，放射性小，且反应过程易于控制，是很难得的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料。

5.月壤中的氦-3含量很高，目前许多科学家在考虑如何开发月壤中的氦，虽然难度依然很大，但是相对于利用地球上极微量的氦-3来说更为现实。

出品｜科技

作者｜周锦童

近日，一篇发表在《自然》杂志上的研究显示，科学家在位于加拿大巴芬岛的火山岩里检测到了稀有氦同位素：氦-3，这一发现为“惰性气体正在从地核泄漏”提供了有力证据。

听起来地球好像在不断“漏气”，许多网友不免有些担心：氦-3气体究竟从何而来？地球“漏气”会变轻吗？地球“漏气”有什么危害？会对我们的生产生活造成哪些影响？

对此，科技对话了中国科学院西北生态环境资源研究院曹春辉高级工程师，他表示：“氦-3不断泄漏不会有什么危害，也不会让地球变轻，不必杞人忧天。”

曹春辉解释道：“所谓的释放氦-3，并不是我们想象的如火山、喷泉一样向地表喷射气体，其实该研究检测到的超高浓度氦-3是玄武岩矿物包裹体中的气体，它们并没有进入大气圈、水圈、生物圈等，也没有进入我们人类的生活领域。”

“假设确实每年有大约2000克的氦-3丢失，相对地球质量来说，也是微不足道的，即使会对地球产生影响，也是几亿年、几十亿年、甚至几百亿年以后的事情了。”曹春辉如是说。

此外，曹春辉认为，目前也没有足够的证据表明“惊人数量”的氦-3大量泄漏到地球大气中，“其实释放的氦-3量很小，如果考虑到全球大气的稀释作用，完全可以忽略不计，另外，释放的氦-3同位素其实是一种稳定的核素，没有放射性，所以不会产生放射性的污染。”曹春辉如是说。

谈及是否有办法阻止氦-3泄漏时，曹春辉认为这是没有必要的，因为首先地球深部氦-3的释放是一种自然过程，不会对人类生活造成影响。其次，氦-3是一种具有巨大潜力的能源，可以进行热核聚变，氦-3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。

那么既然氦3正源源不断地从地球深处释放出来，我们能否对其加以利用呢？曹春辉表示：“地球上氦-3的储量极少，开采、提取极其困难，开发利用并不现实，目前许多科学家在考虑如何开发月壤中的氦，虽然难度依然很大，但是相对于利用地球上极微量的氦-3来说更为现实。”

以下为对话实录（经整理编辑）

科技：有报道称科学家在加拿大巴芬岛的火山岩里检测到了“惊人数量”的稀有氦同位素氦-3，对此您有什么看法？

曹春辉：我确实关注到了《Nature》上关于加拿大巴芬岛发现了目前为止地球上最高氦同位素比值的报道，但是这与某些新闻报道中提到的“惊人数量”的氦-3并不完全相符。

因为这篇文章中提到的是异常高的氦同位素比值，达到了67Ra，由此可以算出释放的氦-3浓度仅为4.9×10-10，这还没有考虑全球大气对它的稀释作用，所以说所谓“惊人数量的氦-3”并不准确，只能说巴芬岛火山岩中发现了相对于上地幔、地壳、大气来源的气体中更高含量的氦-3。

科技：您觉得这一发现有哪些意义？

曹春辉：氦-3在1亿年前甚至更早的时候，就已经开始从地核向地壳、大气中泄漏，地球脱气这个问题早已是地球科学领域的共识，在大洋中脊玄武岩（MORB）、洋岛玄武岩（OIB）的一些样品中均发现过较高氦同位素比值，例如1983年科学家在夏威夷洋岛玄武岩（OIB）中发现了达35Ra的氦同位素比值，说明地球自形成以来一直在脱气。

但是此次报道的氦同位素值：67Ra，是之前研究从未发现过的高值，它的意义在于验证了地幔羽、下地幔、甚至地核中具有比上地幔更高的3He/4He比值，支持了目前关于地球形成、演化、及壳幔物质交换过程的主流科学理论，对于理解地球内部的物质来源和演化具有重要意义。

科技：您可否给大家科普一下地核中的氦-3 气体到底从何而来？为什么会泄漏？氦-3 气体又与地球起源有什么关系？

曹春辉：地核分为内外核，内核主要是由铁和镍元素组成的高温高密度固体物质，至于地核中的氦-3从何而来，那就要从地球的形成和演化说起。

在原始太阳星云形成后，地球的初始物质，像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，而在这个过程中地球积累了大量原始的宇宙物质，包含大量氦-3。

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氦-3相对较难逃逸，导致地核、下地幔中的原始氦有所保留。

所以，当我们发现地球深部高的氦同位素比值时，普遍认为是原始成因的氦，它可以提供有关地球形成演化、地球内部过程和地核的信息，有助于更深入地了解地球内部的物质组成和地球的演化历史。

科技：据了解，地核处每年有大约2000克的氦-3泄漏出来，地球是不是在慢慢变轻？地球变得越来越轻会有什么危害？

曹春辉：我认为不会有什么危害，这属于杞人忧天了。

一般来说，地球的质量变化通常受到天文事件，比如陨石撞击，或者大规模地质过程，如火山活动的影响，而氦-3泄漏的数量可以说微不足道。假设确实每年有大约2000克的氦-3丢失，相对地球质量（5.965✕1024kg）来说，仅相当于损失了不到1024分之一，即使对地球产生影响，也要几亿年、几十亿年、甚至几百亿年以后，所以地球脱气短期内不足以引发地球质量的明显变化。

并且，我们地球上的物质都存在一个循环过程，地球水圈中有河流湖泊的蒸发、也有大气降雨；岩石圈中有地幔物质上涌到地壳、也有洋壳俯冲入地幔；地核与地幔也存在物质交换， 同样，有从地球脱离的氦-3，也有宇宙射线、太阳风作用在地球表面产生的氦-3（虽然数量很少）。

所以说地球不会变的越来越轻，氦-3的释放更不会带来什么危害。

科技：您觉得氦-3气体不断泄漏会对我们普通人的生产生活会造成怎样的影响？

曹春辉：据我了解，加拿大巴芬岛火山岩中检测到的高浓度氦-3应该不会对人类产生什么影响。根据文章中的研究，所谓的释放氦-3，并不是我们想象的如火山、喷泉一样向地表喷射气体，其实检测到的超高浓度氦-3（67Ra）是玄武岩矿物包裹体中的气体，它们没有进入大气圈、水圈、生物圈等，没有进入我们人类的生活领域。

而且，这篇文章中提到的只是氦-3浓度高，但是释放的氦-3量其实很小，如果再考虑到全球大气的稀释作用，释放的氦-3量完全可以忽略不计；另外，所释放的氦-3同位素其实是一种稳定的核素，没有放射性，所以也不会产生放射性的污染。

科技：您觉得是否有办法可以阻止氦-3气体的泄漏呢?

曹春辉：我认为没有办法也没有必要。其实我们现在都想利用氦3、氦4，现在氦气是一种具有巨大潜力的资源。

科技：既然氦3正源源不断地从地球深处释放出来，人类能否对其加以利用吗？

曹春辉：氦-3确实是一种具有巨大潜力的能源，可以进行热核聚变，氦-3可以和氢的同位素发生核聚变反应，但与一般的核聚变反应不同，氦-3在聚变过程中不产生中子，放射性小，而且反应过程易于控制，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。

根据一些资料，10吨氦-3就能满足我国全国一年所有的能源需求，100吨氦-3便能提供全世界使用一年的能源总量，可见氦-3作为能源燃料具有巨大的价值。但是地球上氦-3的储量极少，对其进行开采、提取极其困难，所以对地球上的氦-3加以利用并不现实。

科技：月球中也有许多氦-3资源，您觉得未来是否也会进行开发和采集呢？

曹春辉：这是肯定的，科学家发现月壤中存在大量氦-3，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。

月壤中的氦-3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氦-3来说更为现实。