利用Cu、Zn同位素研究月球揮發和月核形成過程取得重要進展

發稿時間:2019-11-22瀏覽次數:10

大碰撞假說認為,月球形成于一個火星大小的行星和原始地球在45億年前發生的大碰撞。碰撞后的物質飛濺到太空,在月球軌道聚集增生,形成炙熱熔融的月球巖漿洋,之后從中分異出月核、月幔和月殼的結構。大碰撞事件深刻地改變了地月系統的行星環境和化學組成,是地月系統經歷的最重要行星事件。一般認為,大碰撞時的揮發作用會改變月球的元素和同位素組成,但是對于月球圈層分異、特別是月核形成過程還知之甚少,主要原因是缺乏對元素和同位素地球化學行為的了解。

銅(Cu)和鋅(Zn)既是揮發性元素(可以制約碰撞過程中的揮發效應),又是親鐵-親硫元素(可以制約核幔分異過程),因此可以用來探討月核分異對于月球化學組成的影響。經過多年努力,我校地球和空間科學學院黃方教授團隊建立了高精度的Cu-Zn同位素分析方法,在此基礎上和英國牛津大學的Jon Wade博士以及愛爾蘭University College CorkKate Kiseeva教授合作,通過高溫高壓實驗巖石學,精確地測定了硅酸鹽熔體和金屬熔體之間的CuZn同位素平衡分餾系數,制約了月核的成分和形成過程。

研究發現,含硫的金屬熔體相對硅酸鹽熔體顯著富集輕的CuZn同位素,而不含硫的金屬熔體和硅酸鹽熔體之間的分餾較小。這個結果很好的解釋了地球和月球之間金屬穩定同位素組成的差別。月、地之間較大的Zn同位素分餾明顯反映了揮發過程的影響;雖然Cu的揮發性比KGa要弱,但是月、地之間的Cu同位素組成差異要比KGa同位素要大。這可能是因為月球的Cu同位素組成不僅受到大碰撞時揮發作用的控制,也會受到月核形成時含硫金屬熔體從月球巖漿洋分離的影響;而KGa不進入月核,因此不受月核形成的影響。這一工作暗示月核中可能還有一定量的S,這對于理解月球的揮發分組成、月核冷凝以及月球磁場的維持、地月之間晚期加積都有重要意義。


該論文以“The effect of core segregation on the Cu and Zn isotope composition of the silicate Moon”為題,近日發表于國際地球化學重要刊物Geochemical Perspective Letters上(Geochem. Persp. Let. 12, 12–17)。地球和空間科學學院博士畢業生夏瑩為第一作者,Kate Kiseeva教授為第二作者,黃方教授和Jon Wade為共同通訊作者。該工作得到了中科院先導專項B以及國家自然科學基金委的資助。


論文鏈接:https://www.geochemicalperspectivesletters.org/documents/GPL1928_SI.pdf


(地球和空間科學學院、科研部)


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