地球科学界长期利用铅及其同位素来追溯岩石年龄、并研究地壳、地幔与地核之间的物质迁移。但一个持续数十年的难题是：与形成地球的古老陨石样本相比，地球表层岩石中由放射性衰变产生的“年轻”铅同位素（如铅-206、铅-207）含量偏高，而自地球形成以来就存在的“原始”铅同位素铅-204相对不足，由此引发“失踪的铅”悖论。

新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）亚洲环境学院（ASE）研究团队近日发布研究称，失踪的原始铅可能并非主要进入地核，而是以硫化物形式在地幔深部长期封存。相关成果已发表于《自然通讯》（Nature Communications）。

“失踪的铅”悖论如何出现

铅共有四种同位素，其中铅-206、铅-207和铅-208可由铀或钍的放射性衰变生成；铅-204则为非放射性生成的原始铅。由于放射性衰变速率固定，科学家可通过测量放射性生成铅与原始铅的比例来推算岩石年龄。

研究人员指出，当把地表岩石中的铅同位素组成与古老陨石样本对比时，地表岩石中“年轻”铅的相对富集会造成一种表观结果：仿佛地球比这些陨石更“年轻”。这一不一致被认为意味着地球表层缺少应有的原始铅储量。

长期以来，一种主流解释是原始铅在地球形成早期随铁质物质下沉进入地核。但该观点仍难以完全解释铅进入地核的过程及其长期滞留机制。

研究聚焦铅硫化物在深部高压下的稳定性

为寻找可能的“隐藏储库”，由南洋理工大学亚洲环境学院Simon Redfern教授与前研究员刘思宇博士领导的团队将研究重点放在铅硫化物（PbS）上。研究团队认为，铅对硫具有较强亲和力，因而在地球内部可能更倾向以与硫结合的化合物形式存在。

通过计算机模拟，研究人员发现铅硫化物在地球深部地幔的极端压力条件下表现出高度稳定性，并可在高达5000°C的温度下保持固态。研究团队据此提出，原始铅可能在地球早期就以固态铅硫化物形式被封存在地幔深处，远离地壳中铀、钍等放射性元素，从而难以在地表岩石中体现为更高的原始铅比例。

预测两种潜在的新型铅硫矿物结构

研究团队的模拟还预测，在富硫且高压的地幔局部环境中，可能形成两种新的铅硫化合物结构：多硫化物PbS₂与PbS₃。

研究称，PbS₂可能在接近上地幔的条件下保持固态；而PbS₃的熔点相对较低，可能在特定情况下发生液化。研究人员据此提出一种可能机制：当含PbS₃的物质向上运移时，或可携带少量原始铅向地壳“泄漏”，这或可与火山岩中偶尔出现的古老铅信号相呼应。

借助软件与高温原子运动模拟进行验证

由于难以直接获取地球深部样本，研究团队采用计算机模拟方法开展“虚拟探测”。研究人员使用名为CALYPSO的软件，在给定化学成分与外部条件的情况下预测材料结构，并进一步模拟高温条件下矿物内部原子运动。

研究团队表示，其计算结果显示，这些在高压条件下形成的硫化物结构在热力学上具备可行性，理论上能够在地球内部长期存在并承受深部环境的持续扰动。

后续工作：实验室复现地幔条件并寻找样本证据

研究团队表示，下一步将尝试在实验室中复现地幔的极端压力与温度条件，以检验计算机预测结果，并进一步优化模型，以更清晰描绘地球分层与物质分离的时间与机制。同时，团队也计划在构造活动或火山活动带出的岩石样本中寻找这些矿物存在的更多证据。