近日，中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院王文忠特任教授與多位國際學者合作，研究類地行星增生演化過程中的同位素分餾，發(fā)現(xiàn)地球在早期吸積階段就已經(jīng)積聚了足夠多的揮發(fā)性元素，而吸積形成的星胚熔融揮發(fā)進一步重塑了地球的揮發(fā)份含量。相關(guān)成果以“Chalcogen isotopes reveal limited volatile contribution from late veneer to Earth”為題發(fā)表在《Science Advances》上。
揮發(fā)性元素，如碳、氫、硫和氮等，對生命至關(guān)重要。弄清地球如何增生這些揮發(fā)性元素，是理解類地行星形成和演化的關(guān)鍵，也是進一步理解地球如何演化成可宜居星球的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)理論認為，形成地球的初始物質(zhì)嚴重缺乏揮發(fā)份，而目前地球所具有的揮發(fā)份豐度主要是在增生晚期通過加入少量富含揮發(fā)份的外太陽系物質(zhì)形成的。這一過程發(fā)生在地核形成之后，也被稱為“后期增生模型（Late veneer）”，意味著構(gòu)成生命的大多數(shù)元素是在地球形成之后才到達地球的。
太陽系行星的吸積形成與演化發(fā)生在大約45多億年前。揮發(fā)性元素的穩(wěn)定同位素可以作為指紋來追蹤這些過程，為了解類地行星揮發(fā)份的起源和演化提供了關(guān)鍵研究手段。通過對比地球和球粒隕石（被認為是形成地球的初始物質(zhì)）的揮發(fā)性元素同位素信息，可以進一步厘清地球揮發(fā)份的來源。這樣的方法需要我們弄清地球增生演化過程中的同位素分餾。
然而，行星形成演化過程往往處于高溫高壓條件下，通過實驗測定同位素分餾挑戰(zhàn)很大。例如，地核的形成發(fā)生在超過3000 K和20萬個大氣壓的條件下，后者相當于目前地球內(nèi)部600公里的深度。王文忠等長期從事利用第一性原理計算研究極端條件下同位素平衡分餾系數(shù)，建立了可靠的理論計算方法預測星胚揮發(fā)和核幔分異過程中的同位素分餾。
研究團隊關(guān)注了硫族元素（硫、硒和碲）的同位素。通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，在早期太陽系星云氫氣未完全散去的情況下，星云物質(zhì)凝聚形成星胚導致熔融揮發(fā)會使得星胚富集輕硫、重硒和重碲同位素；而核幔分異不會導致明顯的硫、硒和碲同位素分餾。這一結(jié)果與地球的觀測結(jié)果十分吻合，即地球相較于其初始物質(zhì)具有偏輕的硫同位素組成，但具有偏重的硒和碲同位素組成。進一步模擬表明，星胚揮發(fā)丟失大約90%的硫、硒和碲可以同時定量解釋地球的低硫同位素比值、高硒和碲同位素比值，而“后期增生”的作用可忽略不計。
這項研究結(jié)果表明，地球在吸積初始階段就增生了大量的揮發(fā)性元素，后續(xù)的星胚演化過程重塑了地球的揮發(fā)份儲庫。這項結(jié)果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的“后期增生”理論。這不僅改變了我們對行星演化的理解，也為進一步研究行星形成分異與宜居環(huán)境演化之間的關(guān)系提供了新的視角。
論文第一和通訊作者為王文忠特任教授，合作者包括英國倫敦大學學院John Brodholt教授、美國卡耐基科學研究所MichaelWalter研究員、田納西大學諾克斯維爾分校黃士春教授和哈佛大學Michail I. Petaev研究員。
圖一 早期星胚熔融揮發(fā)過程中硫、硒和碲同位素分餾
該項研究得到了自然科學基金委和中國科學院的資助，部分理論計算在中國科學技術(shù)大學超算中心完成。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0670
（地球和空間科學學院）
