王水炯：镍同位素揭示行星早期增生和分异【GCA，2023】

发布时间：2023-05-19       阅读：0次

早期研究通过对比硅酸盐地球样品和球粒陨石的镍（Ni）同位素发现：硅酸盐地球具有比球粒陨石值轻的Ni同位素组成，而这种差异不可能由地球在高温-高压下核幔分异过程所致。因此，这种差异被解释为很有可能是形成月球的大碰撞事件中，撞击体Theia的幔富集轻Ni同位素，增生导致现今硅酸盐地球的亚球粒陨石Ni同位素特征。这要求Theia母体在早期行星分异过程中存在Ni同位素分馏，且根据硫元素在核幔分异过程中的地球化学行为推测Theia可能是一个形成于较为还原环境的分异的星体（Wang et al., 2021）。假如上述假说成立，我们可以推测（1）早期行星分异存在巨大Ni同位素分馏；（2）月球也应当继承了Theia的同位素特征而具有亚球粒陨石Ni同位素组成。

为了检验上述假说，我校王水炯教授联合贵阳地化所李世杰研究员和中科院地质与地球物理研究所林杨挺研究员对无球粒陨石和月球样品开展了系统的Ni同位素地球化学研究。发现：

（1）    极度还原的无球粒陨石和来自小的行星母体的无球粒陨石具有极低的Ni同位素组成（图1）。早期行星核幔分异过程中，Ni元素的亲铁性质随着压力和氧逸度的降低，由中度亲铁转变成高度亲铁，被大量萃取进入行星核。因此，受“储库效应”影响，这些母体的核幔分异会产生较大Ni同位素分馏，使得行星幔富集轻Ni同位素组成。

（2）    来自灶神星的无球粒陨石具有较大的Ni同位素组成变化，且与Ni/Co比值呈正相关。这是由行星核幔分异后的晚期增生所致。晚期增生物质具有高的Ni/Co比值和高的Ni同位素组成，构成一个端元；而具有低Ni/Co比值和低Ni同位素组成的灶神星初始幔构成另一个端元（图2）。

（3）    月球样品展现出和灶神星样品类似的特征（图2）。由此，推测硅酸盐月球具有亚球粒陨石Ni同位素组成，并受到不均一晚期增生事件影响。

据此，刻画了行星增生和分异过程中Ni同位素地球化学行为，为理解类地行星的形成和演化，尤其是地月体系的形成提供了重要依据（图3）。

图1 无球粒陨石和月球样品的Ni同位素组成

图2 无球粒陨石的Ni同位素和Ni/Co比值图

图3 行星增生和分异过程中Ni同位素变化示意简图

本工作受到国家自然科学基金委（41973010，42241103和42170346）等基金支持，发表在国际地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上：Shui-Jiong Wang* , Shi-Jie Li, Yangting Lin, Si-Zhang Sheng. Mass-dependent nickel isotopic variations in achondrites and lunar rocks. Geochimica et Cosmochimica Acta, 350 (2023) 16-27.

全文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703723001540