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地球的挥发性元素对行星形成、演化和可宜居性至关重要

来源:科技日报 2021-11-09 09:03:28
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记者8日从中国科学技术大学了解到,该校地球和空间科学学院吴忠庆教授课题组,通过第一性原理计算,发现在太阳星云环境下,行星增生早期星胚(部分)熔融和挥发过程是地球贫挥发性元素的主因,为研究类地行星挥发性物质增生和演化提供重要启示。该研究成果日前发表在国际期刊《自然·地球科学》。

地球的挥发性元素对行星形成、演化和可宜居性至关重要,其增生过程是地球和行星科学研究领域长期关注的难点问题。研究发现,相对于早期太阳系的物质组成,地球具有类似的难挥发性元素丰度,但非常亏损挥发性元素。目前学界关于地球挥发性元素的来源及其增生过程一直在争议。由于早期地球记录极少被保留下来,通过早期地质样品直接研究地球挥发份的演化历史很困难。

研究人员通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,获得了高质量的核幔间硫同位素分馏系数,发现核幔分异引起的硫同位素分馏几乎可以忽略不计,这意味着后期增生模型和核幔分异都不能解释硅酸盐地球具有比球粒陨石低的硫同位素比值,且地球整体具有与其硅酸盐部分一样硫同位素组成。结合热力学计算和第一性原理计算,研究人员发现在早期太阳系氢气未完全散去的情况下,星胚发生部分熔融,硫主要以硫化氢的形式挥发,并带走重硫同位素,使得残留硅酸盐富集轻硫同位素。大约90%的原始增生硫挥发可以定量解释地球的低硫同位素比值,也可以解释地球的硫含量。此外,在大碰撞形成月球过程中,大量硫进一步丢失,但由于形成环境不同,硫丢失会带走轻硫同位素,使得月球具有比地球更重的硫同位素组成。

这项研究表明,地球起源于富挥发份物质,早期挥发是地球建立现今挥发性元素组成的关键,这为学界研究类地行星挥发份物质的起源提供了新的视角。(记者 吴长锋)

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