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科研進展

2021年11月03日
中國科大在地球和行星早期揮發性元素增生和演化方面取得重要進展

近(jin)日,愛(ai)游(you)戲(xi)體育登錄地(di)(di)球和(he)空間科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院(yuan)吳忠(zhong)慶教授(shou)(shou)(shou)(shou)課題組2019年博(bo)(bo)士(shi)畢業生王(wang)文忠(zhong)博(bo)(bo)士(shi)(現(xian)為英國倫(lun)敦大(da)(da)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院(yuan)和(he)美(mei)國卡(ka)耐基科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)研(yan)究所聯合(he)博(bo)(bo)士(shi)后)與李春(chun)輝(hui)博(bo)(bo)士(shi)(前中(zhong)(zhong)科(ke)(ke)(ke)大(da)(da)特任副研(yan)究員,現(xian)為成(cheng)都理工大(da)(da)學(xue)(xue)副研(yan)究員)合(he)作(zuo),通過(guo)第一性原理計(ji)算,發現(xian)在(zai)太陽星(xing)云(yun)環境下(xia),行星(xing)增(zeng)(zeng)生早期星(xing)胚(部分)熔融和(he)揮發過(guo)程是(shi)地(di)(di)球貧揮發性元素的(de)主因(yin),為研(yan)究類地(di)(di)行星(xing)揮發性物質增(zeng)(zeng)生和(he)演化提(ti)供重要(yao)啟示。該項(xiang)研(yan)究成(cheng)果以“Sulfur isotopic signature of Earth established by planetesimal volatile evaporation”為題,發表在(zai)國際著(zhu)名期刊(kan)Nature Geoscience上,第一作(zuo)者為王(wang)文忠(zhong)博(bo)(bo)士(shi),通訊作(zuo)者為王(wang)文忠(zhong)博(bo)(bo)士(shi)和(he)李春(chun)輝(hui)博(bo)(bo)士(shi),中(zhong)(zhong)國科(ke)(ke)(ke)大(da)(da)為論文第一單位。合(he)作(zuo)者包括美(mei)國內(nei)華達大(da)(da)學(xue)(xue)拉斯(si)維加斯(si)分校黃士(shi)春(chun)教授(shou)(shou)(shou)(shou)和(he)李敏博(bo)(bo)士(shi)、英國倫(lun)敦大(da)(da)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院(yuan)John Brodholt教授(shou)(shou)(shou)(shou)、美(mei)國卡(ka)耐基科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)研(yan)究所Michael Walter教授(shou)(shou)(shou)(shou)、中(zhong)(zhong)國科(ke)(ke)(ke)大(da)(da)黃方教授(shou)(shou)(shou)(shou)和(he)中(zhong)(zhong)國地(di)(di)質大(da)(da)學(xue)(xue)(北京)王(wang)水(shui)炯教授(shou)(shou)(shou)(shou),

地(di)(di)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)揮(hui)發(fa)性(xing)(xing)元(yuan)素(su)(尤其(qi)是(shi)(shi)和(he)(he)生(sheng)(sheng)命相關的(de)(de)(de)(de)C、H、S、N)對行(xing)星形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)、演化(hua)和(he)(he)可(ke)宜(yi)居(ju)性(xing)(xing)至關重要,其(qi)增生(sheng)(sheng)過(guo)程是(shi)(shi)地(di)(di)球(qiu)和(he)(he)行(xing)星科學研究(jiu)領域長(chang)期關注(zhu)的(de)(de)(de)(de)難點問題。前(qian)(qian)人研究(jiu)發(fa)現,相對于早期太陽系的(de)(de)(de)(de)物質(zhi)組成(cheng)(cheng),地(di)(di)球(qiu)具有(you)類似的(de)(de)(de)(de)難揮(hui)發(fa)性(xing)(xing)元(yuan)素(su)豐度(du),但(dan)非常(chang)虧損(sun)揮(hui)發(fa)性(xing)(xing)元(yuan)素(su)。目(mu)前(qian)(qian)學界(jie)愛游戲體育app下載(zai)地(di)(di)球(qiu)揮(hui)發(fa)性(xing)(xing)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)來源(yuan)及(ji)其(qi)增生(sheng)(sheng)過(guo)程一(yi)直(zhi)在爭議,主要有(you)兩派觀點:一(yi)種(zhong)是(shi)(shi)后期增生(sheng)(sheng)模型(Late veneer),即形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)地(di)(di)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)初始(shi)物質(zhi)幾(ji)乎不含(han)揮(hui)發(fa)份(fen)(fen)(fen),現在地(di)(di)球(qiu)揮(hui)發(fa)份(fen)(fen)(fen)含(han)量(liang)是(shi)(shi)在增生(sheng)(sheng)末期通過(guo)加入(ru)少量(liang)富含(han)揮(hui)發(fa)份(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)物質(zhi)(如(ru)碳質(zhi)球(qiu)粒隕(yun)石)建立的(de)(de)(de)(de),其(qi)質(zhi)量(liang)大概為地(di)(di)球(qiu)質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)0.5%;另一(yi)種(zhong)是(shi)(shi)行(xing)星演化(hua)模型(protoplanetary differentiation),即地(di)(di)球(qiu)初始(shi)增生(sheng)(sheng)于富含(han)揮(hui)發(fa)份(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)物質(zhi),但(dan)在增生(sheng)(sheng)過(guo)程中(zhong)行(xing)星演化(hua),比如(ru)早期星胚熔融揮(hui)發(fa),會導致大量(liang)揮(hui)發(fa)份(fen)(fen)(fen)丟(diu)失,形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)目(mu)前(qian)(qian)觀測(ce)到(dao)的(de)(de)(de)(de)地(di)(di)球(qiu)揮(hui)發(fa)性(xing)(xing)元(yuan)素(su)豐度(du)。

由于早期(qi)地球(qiu)記錄極(ji)少被保留下來,通過早期(qi)地質樣品直接研究(jiu)地球(qiu)揮發份(fen)的(de)(de)演化歷史很(hen)困難(nan)。揮發性元素(su)(su)(su)(例(li)如硫)的(de)(de)穩定同(tong)位素(su)(su)(su)為(wei)示蹤地球(qiu)的(de)(de)起(qi)源和演化提供了關鍵研究(jiu)手段。前人(ren)發現硅酸鹽地球(qiu)(除去地核(he)(he)部分(fen))具有很(hen)輕(qing)的(de)(de)硫同(tong)位素(su)(su)(su)組成,其硫同(tong)位素(su)(su)(su)比值比任(ren)何一種球(qiu)粒隕(yun)石都(dou)要低,這表(biao)明硅酸鹽地球(qiu)的(de)(de)硫不是由球(qiu)粒隕(yun)石后(hou)期(qi)增生導致的(de)(de)。硫是親鐵元素(su)(su)(su),在(zai)核(he)(he)幔分(fen)異(yi)形成地核(he)(he)時會(hui)大量進入地核(he)(he),人(ren)們(men)還不清楚核(he)(he)幔分(fen)異(yi)是否會(hui)改變硅酸鹽地球(qiu)的(de)(de)硫同(tong)位素(su)(su)(su)組成。由于高溫(wen)高壓(ya)實驗測定同(tong)位素(su)(su)(su)分(fen)餾系數十分(fen)困難(nan),在(zai)地核(he)(he)形成的(de)(de)高溫(wen)高壓(ya)條(tiao)件(jian)下,核(he)(he)幔間硫同(tong)位素(su)(su)(su)分(fen)餾系數依然未知。

王文忠等通過基于密度泛函理論的第一性原理計算獲得了高質量的核幔間硫同位素分餾系數,發現核幔分異引起的硫同位素分餾幾乎可以忽略不計,這意味著后期增生模型和核幔分異都不能解釋硅酸鹽地球具有比球粒隕石低的硫同位素比值,且地球整體具有與其硅酸鹽部分一樣的硫同位素組成。結合熱力學計算和第一性原理計算,作者發現在早期太陽系H2未完全散去的情況下,星胚發生部分熔融,硫主要以H2S的形式揮發,并帶走重硫同位素,使得殘留硅酸鹽富集輕硫同位素。大約90%的原始增生硫揮發可以定量解釋地球的低硫同位素比值,也可以解釋地球的硫含量。此外,在大碰撞形成月球過程中,大量硫進一步丟失,但由于形成環境不同,硫丟失會帶走輕硫同位素,使得月球具有比地球更重的硫同位素組成。本研究表明,地球起源于富揮發份物質,早期揮發是地球建立現今揮發性元素組成的關鍵,這為學界研究類地行星揮發份物質的起源提供了新的視角。

圖一早(zao)期星胚熔融揮(hui)發(fa)和(he)月球形成過程中(zhong)硫揮(hui)發(fa)導(dao)致的硫同位素效應

該項研究得到了中(zhong)(zhong)國科學院戰略性先導科技專項、中(zhong)(zhong)國自(zi)然科學基(ji)金(jin)委(wei)、中(zhong)(zhong)央高校基(ji)本(ben)科研專項資金(jin)、美國自(zi)然科學基(ji)金(jin)委(wei)、UCL-Carnegie Postdoctoral Scholarship的支持,部(bu)分理論計算在中(zhong)(zhong)國科大超算中(zhong)(zhong)心完(wan)成(cheng)。

論文鏈接(jie):


(地球和空間科(ke)學學院、科(ke)研部)

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