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同位素|中国科大在地球和行星早期挥发性元素增生和演化方面取得重要进展

2021-11-08 20:21     来源:中国科学技术大学     稳定同位素
近日,中国科学技术大学地球和空间科学学院吴忠庆教授课题组2019年博士毕业生王文忠博士(现为英国伦敦大学学院和美国卡耐基科学研究所联合博士后)与李春辉博士(前中科大特任副研究员,现为成都理工大学副研究员)合作,通过第一性原理计算,发现在太阳星云环境下,行星增生早期星胚(部分)熔融和挥发过程是地球贫挥发性元素的主因,为研究类地行星挥发性物质增生和演化提供重要启示。该项研究成果以“Sulfur isotopic signature of Earth established by planetesimal volatile evaporation”为题,发表在国际著名期刊Nature Geoscience上,第一作者为王文忠博士,通讯作者为王文忠博士和李春辉博士,中国科大为论文第一单位。合作者包括美国内华达大学拉斯维加斯分校黄士春教授和李敏博士、英国伦敦大学学院John Brodholt教授、美国卡耐基科学研究所Michael Walter教授、中国科大黄方教授和中国地质大学(北京)王水炯教授,

地球的挥发性元素(尤其是和生命相关的C、H、S、N)对行星形成、演化和可宜居性至关重要,其增生过程是地球和行星科学研究领域长期关注的难点问题。前人研究发现,相对于早期太阳系的物质组成,地球具有类似的难挥发性元素丰度,但非常亏损挥发性元素。目前学界关于地球挥发性元素的来源及其增生过程一直在争议,主要有两派观点:一种是后期增生模型(Late veneer),即形成地球的初始物质几乎不含挥发份,现在地球挥发份含量是在增生末期通过加入少量富含挥发份的物质(如碳质球粒陨石)建立的,其质量大概为地球质量的0.5%;另一种是行星演化模型(protoplanetary differentiation),即地球初始增生于富含挥发份的物质,但在增生过程中行星演化,比如早期星胚熔融挥发,会导致大量挥发份丢失,形成目前观测到的地球挥发性元素丰度。

由于早期地球记录极少被保留下来,通过早期地质样品直接研究地球挥发份的演化历史很困难。挥发性元素(例如硫)的稳定同位素为示踪地球的起源和演化提供了关键研究手段。前人发现硅酸盐地球(除去地核部分)具有很轻的硫同位素组成,其硫同位素比值比任何一种球粒陨石都要低,这表明硅酸盐地球的硫不是由球粒陨石后期增生导致的。硫是亲铁元素,在核幔分异形成地核时会大量进入地核,人们还不清楚核幔分异是否会改变硅酸盐地球的硫同位素组成。由于高温高压实验测定同位素分馏系数十分困难,在地核形成的高温高压条件下,核幔间硫同位素分馏系数依然未知。

王文忠等通过基于密度泛函理论的第一性原理计算获得了高质量的核幔间硫同位素分馏系数,发现核幔分异引起的硫同位素分馏几乎可以忽略不计,这意味着后期增生模型和核幔分异都不能解释硅酸盐地球具有比球粒陨石低的硫同位素比值,且地球整体具有与其硅酸盐部分一样的硫同位素组成。结合热力学计算和第一性原理计算,作者发现在早期太阳系H2未完全散去的情况下,星胚发生部分熔融,硫主要以H2S的形式挥发,并带走重硫同位素,使得残留硅酸盐富集轻硫同位素。大约90%的原始增生硫挥发可以定量解释地球的低硫同位素比值,也可以解释地球的硫含量。此外,在大碰撞形成月球过程中,大量硫进一步丢失,但由于形成环境不同,硫丢失会带走轻硫同位素,使得月球具有比地球更重的硫同位素组成。本研究表明,地球起源于富挥发份物质,早期挥发是地球建立现今挥发性元素组成的关键,这为学界研究类地行星挥发份物质的起源提供了新的视角。


图一早期星胚熔融挥发和月球形成过程中硫挥发导致的硫同位素效应

该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、中国自然科学基金委、中央高校基本科研专项资金、美国自然科学基金委、UCL-Carnegie Postdoctoral Scholarship的支持,部分理论计算在中国科大超算中心完成。

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