近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院王文忠特任教授與多位國(guó)際學(xué)者合作，研究類(lèi)地行星增生演化過(guò)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(jìn)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(duì)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(lèi)地行星形成和演化的關(guān)鍵，也是進(jìn)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(rèn)為，形成地球的初始物質(zhì)嚴(yán)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(guò)加入少量富含揮發(fā)份的外太陽(yáng)系物質(zhì)形成的。這一過(guò)程發(fā)生在地核形成之后，也被稱(chēng)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(dá)地球的。
太陽(yáng)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(lái)追蹤這些過(guò)程，為了解類(lèi)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(guò)對(duì)比地球和球粒隕石（被認(rèn)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(jìn)一步厘清地球揮發(fā)份的來(lái)源。這樣的方法需要我們弄清地球增生演化過(guò)程中的同位素分餾。
然而，行星形成演化過(guò)程往往處于高溫高壓條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定同位素分餾挑戰(zhàn)很大。例如，地核的形成發(fā)生在超過(guò)3000 K和20萬(wàn)個(gè)大氣壓的條件下，后者相當(dāng)于目前地球內(nèi)部600公里的深度。王文忠等長(zhǎng)期從事利用第一性原理計(jì)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(jì)算方法預(yù)測(cè)星胚揮發(fā)和核幔分異過(guò)程中的同位素分餾。
研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注了硫族元素（硫、硒和碲）的同位素。通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在早期太陽(yáng)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(dǎo)致熔融揮發(fā)會(huì)使得星胚富集輕硫、重硒和重碲同位素；而核幔分異不會(huì)導(dǎo)致明顯的硫、硒和碲同位素分餾。這一結(jié)果與地球的觀(guān)測(cè)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(jìn)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(shí)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(jì)。
這項(xiàng)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(guò)程重塑了地球的揮發(fā)份儲(chǔ)庫(kù)。這項(xiàng)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(duì)行星演化的理解，也為進(jìn)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(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院John Brodholt教授、美國(guó)卡耐基科學(xué)研究所MichaelWalter研究員、田納西大學(xué)諾克斯維爾分校黃士春教授和哈佛大學(xué)Michail I. Petaev研究員。
圖一 早期星胚熔融揮發(fā)過(guò)程中硫、硒和碲同位素分餾
該項(xiàng)研究得到了自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院的資助，部分理論計(jì)算在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)學(xué)院）
