火星，作为类地行星演化的“天然实验室”，其早期分异过程一直是行星科学研究的核心焦点。近期，中国科学院地球化学研究所科研团队另辟蹊径，通过分析火星陨石的铜同位素组成，成功揭示了火星分异期间的硫化物分离机制，为人类探讨类地行星演化历史开启了全新的视角。
化学指纹：追踪行星分异的关键线索
行星的形成，始于星子的吸积过程，这些星子的化学成分通常与球粒陨石相近。在行星演化的早期阶段，星子之间的碰撞以及26Al放射性衰变等过程会释放出巨大能量，常常引发全球性的熔融现象，进而形成岩浆洋。
在岩浆洋这一特殊环境中，行星内部会发生化学分异现象。这一过程对于类地行星的内部结构以及长期演化起着决定性的作用。其中，星球尺度的硫化物与硅酸盐地幔的分离，直接影响着亲硫元素的迁移与分布，是探究行星演化的重要环节之一。
铜元素因其具有强亲硫性，并且在硫化物与硅酸盐熔体间分配时会产生同位素分馏效应，成为了示踪这一过程的绝佳指标。因此，深入剖析火星样品的铜同位素组成，就能够揭示火星的早期历史。
行星分异过程的“时间胶囊”：火星陨石
目前，火星陨石是人类唯一能够获取的火星样品，它们如同珍贵的“时间胶囊”，记录了火星演化的关键信息。研究团队精心选取了15块火星陨石进行全岩铜同位素测试，通过对这些测试数据的分析，成功约束了整体硅酸盐火星的铜同位素组成，证实了火星在演化过程中发生了显著的铜同位素分馏。
在行星熔融分异的过程中，铁合金熔体(包含部分硫)会逐渐沉降，最终形成行星的核心。研究团队根据硫在金属与硅酸盐熔体之间的分配模型进行推测，当金属核分离后，岩浆洋中的硫处于不饱和状态。随着岩浆洋的逐渐冷却，残余熔体中的硫会逐渐富集，当达到饱和状态时，就会析出硫化物熔体。由于硫化物熔体的密度较高，它们会向行星核心迁移，并在这个过程中携带亲硫元素(如铜)，从而完成元素的再分配。
火星地幔的“记忆”：铜同位素揭示的奥秘
研究团队通过构建量化模型，对观测到的铜同位素组成进行解释，定量评估了火星分异过程中硫化物的分离对火星地幔的硫和铜含量的影响。为了更全面地剖析气化过程对铜含量及其同位素组成的影响，团队还选择了中等挥发性元素钾作为参考。
基于硫在硅酸盐熔体中的饱和浓度模型，研究团队确定了硫化物开始饱和的临界条件。在整合硫与铜的分配与分馏模型后，团队成功地再现了火星分异过程中硫和铜的地球化学行为。
模拟结果显示，当岩浆洋结晶度达到约89%时，硫化物熔体开始形成，并向核心迁移。而铜同位素数据则揭示了一个关键转折点：当残余岩浆洋深度降至约102千米至105千米时，温度降低会导致硫化物熔体向下渗透受阻。此后形成的硫化物熔体无法抵达地核，而是被封存于火星地幔中，这就造成了重的铜同位素在火星地幔中富集。
同时，由于火星地幔对流较弱，岩浆洋结晶分异导致的火星地幔不均一特征得以局部保留，未被对流作用完全均一化。这一系列发现为我们深入了解火星的演化历史以及类地行星的演化过程提供了宝贵的线索。
