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Nature封面:熔融?气化?大撞击?鬼知道地球经历了什么

在太阳系最初形成的时候,地球还没有成型,还保留着太阳系最原始的元素构成。但后来,因为种种原因,地球上的岩石成分就发生了巨大的变化。9月28日《自然》(Nature)杂志的封面故事,就用两篇方法迥异的研究,描述了一个也许曾经发生过的过程——或许,是地球早期的熔融和气化作用,“蒸发”掉了一部分原始的成分。

行星热分异和球粒陨石

行星最初形成的时候,会在放射性元素衰减和外界密集的撞击之下被不断地加热。在这个过程中,较大的岩质行星接受的热量足以熔融自身,“分离”行星内部的物质。结果是,较重的元素(比如铁和镍)向中心“下沉”形成内核;相对较轻的硅酸盐成分就“浮”上来形成原始幔层,最终形成从内到外密度逐渐变小的“核幔壳”分层结构。这就是行星的热分异。

行星热分异过程。制图:haibaraemily

内太阳系的四个类地行星:水星、金星、地球、火星,都是经历过热分异、外层以硅酸盐成分为主的岩质行星。当然,实际的分层情况更加复杂,远不止简单的核幔壳三层。对地球而言,通常我们把金属地核以外的硅酸盐质地层统称为全硅酸盐地球(bulk silicate earth,BSE)。很显然,经历了热分异的硅酸盐外层的成分比例会和行星形成之初近乎匀质时的成分有变化。可是,到底产生了怎样的变化?又能否得知行星形成之初近乎均质的成分比例呢?那就多亏了陨石这个来自太阳系的馈赠了。比如要说的这种陨石——原始球粒陨石。

地球上发现的陨石可以按成分大致分为石陨石、石铁陨石和铁陨石三类。球粒陨石就是石陨石的一种,也是地球上发现的陨石中数目最庞大的一类陨石。在太阳系形成初期,包含球粒的一些碎块,因为更大质量碎块的引力扰动或撞击,运行到了太阳系外侧,迅速降温,所以内部没来及发生热分异,因此完好的保留了太阳系早期的一些信息。也正因为这样,科学家常常把球粒陨石的成分作为行星形成之初的成分,也就是原始太阳系的成分

陨石分类,改编自参考文献[1]。球粒陨石的图片来源:wikiwand.com

《自然》封面的两个新研究说了些什么呢?

这两篇论文各自通过对比一类地球的岩石成分和球粒陨石的差异,进而分别通过实验和模拟,提出了解释这一差异的可能原因。下面花开二朵,各表一枝。

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挥发性微量元素的差异

地球硅酸盐质外层中一些中等易挥发的微量成分(如铅、锌、铟、铝等)的含量明显低于CI类碳质球粒陨石。这个现象有一部分可以通过热分异成核的过程来解释:亲铁的元素和铁镍一起被带入了地核,所以在硅酸盐外层中的含量自然就低了。可是牛津大学地球科学系的Norris和Wood在他们的研究中,通过进一步对比地球硅酸盐质外层和CV类碳质球粒陨石(未经历热分异,但含有的挥发性元素含量也低于CI类碳质球粒陨石)中多种中等易挥发微量成分的含量,发现,问题来了,热分异成核的理论并不能解释所有低含量的较易挥发成分[2]。例如:铜和银的亲金属性差不多,可铜在硅酸盐质外层中的含量明显高于银;铟比锌更亲铁,但两者在硅酸盐层的含量却差不多。

地球硅酸盐质外层和CV类碳质球粒陨石中银、铋、镉、铬、铜、镓、锗、铟、铅、锑、锡、铊、铅在10-4个大气压和50%凝聚时的温度下相对于CI类碳质球粒陨石的含量,无色方框中的元素值是其他研究的结果。地球硅酸盐质外层中的各种中等易挥发的微量成分含量显著低于CV类碳质球粒陨石,这一总体趋势可能是热分异成核作用引起的。值得注意的是,铟比锌更亲铁和亲铜,且凝聚温度更低,但两者的含量确实差不多的;铟比铊更亲铁亲铜,凝聚温度也差不多,但含量却比后者高得多;铜和银的亲铁金属差不多,冷凝温度也差不多,可铜的含量明显高于银。改编自参考文献[2] | 翻译:haibaraemily

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镁同位素比例的差异

英国布里斯托大学地球科学系的Hin和他的同事们则把注意力放在了硅酸盐层中的主要成分之一:镁的两种同位素上[3]。他们的研究通过对比地球、火星、经历了热分异的陨石,和原始球粒陨石中25Mg/24Mg的比例,发现前三者的25Mg/24Mg的比例要显著高于原始球粒陨石。这一现象也同样很难通过热分异成核过程来解释——毕竟镁元素本身并不那么亲铁,何况“重”元素更容易下沉的话,前三者的25Mg/24Mg比例应该更低才对。

地球、火星,以及经历了热分异的陨石的25Mg/24Mg的比例显著高于原始球粒陨石。图片来源:参考文献[3] | 翻译:haibaraemily

于是,两篇论文同时指向了另一种可能:早期地球在部分熔融阶段的气化过程中,一些较易挥发的成分,以及较轻的同位素成分被优先消耗了

猜想有了,如何证明自己?

两篇文章采用了完全不同的思路和方法。

Norris和Wood用实验模拟了各种混合组分的较易挥发元素,在不同的氧气逸度、加热时间、加热温度下的含量,对比了不同元素在早期地球部分熔融状态时的挥发性强弱,结果和目前的成分非常吻合(例如,铜的挥发性小于银,所以最后硅酸盐层的含量要比银高)。

不同元素的挥发性强弱和含量的关系,元素含量以CI碳质球粒陨石中的含量为单位量取相对值。这一结果和目前硅酸盐层的成分比例吻合度很高,例如:铟、铜和锌有相似的挥发强度,所以它们在硅酸盐层中的含量也相近;而锡的挥发性强于锌,所以含量也低于锌。改编自参考文献[2]

而Hin和同事们改进了挥发损失模型,通过模拟计算,发现早期地球在经历了部分熔融阶段气化过程的损失之后,25Mg/24Mg比例与现在的比例完全相符。因此认为,目前类地行星硅酸盐层中的镁、硅和铁的同位素比例,很可能都是行星吸积过程中熔融挥发的自然结果。

撞击?大撞击?

两篇论文都认为,如果这一猜想成立,那么这个部分熔融挥发的过程应当发生于地球形成的早期。外界天体的撞击很可能是促进地球熔融气化和挥发的主要原因。Norris和Wood甚至认为,大撞击假说中,可能形成月球的那次撞击就完全可以提供足够地球部分熔融挥发的热量。

想象中的形成月球的大撞击图景。大撞击假说认为,约45亿年前,一个火星大小的天体撞击地球,其碎片形成了后来的月球。而这次大撞击产生的热量也使得地球部分熔融,形成了全球性的“岩浆海洋”,并发生热分异。虽然月球的起源一直有捕获说和撞击说两种主流猜想,但近年来越来越多的证据使得大撞击假说逐渐成为月球起源最受青睐的假说。图片来源:nasa.gov

这一结论对我们更好地理解地球、火星等类地行星的形成过程有重要启示:可能正是地球形成早期外界天体的猛烈撞击引起的元素挥发,塑造了地球和其他类地行星如今硅酸盐外层的成分比例。或者反过来说,目前类地行星的成分比例可以为我们追溯行星形成早期的撞击历史提供重要线索。(编辑:明天)

参考文献:

  1. Krot, A. N., et al. (2007). 1.05 Classification of Meteorites. In Holland, Heinrich D.; Turekian, Karl K. Treatise on Geochemistry. 1. Elsevier Ltd. pp. 83–128
  2. Norris CA, Wood BJ. Earth’s volatile contents established by melting and vaporization. Nature. 2017;549(7673):507-510. http://dx.doi.org/10.1038/nature23645.
  3. Hin RC, Coath CD, Carter PJ, et al. Magnesium isotope evidence that accretional vapour loss shapes planetary compositions. Nature. 2017;549(7673):511-515. http://dx.doi.org/10.1038/nature23899.

The End

发布于2017-11-28, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳。 如在其他平台看到此文章被盗用,请告诉我们(文章版权保护服务由维权骑士提供)

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