H、C、N、O、I 等揮發(fā)性元素是探索生命起緣和地球宜居性的重要元素，但在地球形成（<30-100百萬(wàn)年）過(guò)程中，揮發(fā)性元素的來(lái)源一直是科學(xué)家們熱議的話(huà)題。氙（Xe）同位素是研究這一問(wèn)題的重要工具。由于129Xe可以由易揮發(fā)的半衰期為15.7 百萬(wàn)年的滅絕核素129I通過(guò)β衰變而成， 136Xe可以由不易揮發(fā)的半衰期為80 百萬(wàn)年的滅絕核素244Pu通過(guò)裂變生成，129Xe*/136Xe*Pu只記錄了太陽(yáng)系早期的I/Pu比，與儲庫的Xe丟失封閉年齡相關(guān)，而與后續的歷史演化無(wú)關(guān)。因此，不同地幔儲庫中的129Xe*/136Xe*Pu同位素差異可以被用來(lái)研究地球極早期的形成演化歷史。最新的高精度Xe同位素測量分析顯示，相較于代表上地幔的洋中脊玄武巖儲庫（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MORB地幔），來(lái)源于地球深部的核幔邊界的洋島玄武巖儲庫（以下簡(jiǎn)稱(chēng)plume地幔）有著(zhù)更低的129Xe*/136Xe*Pu值（Mukhopadhyay, 2012）。考慮到地球的揮發(fā)性元素丟失和釋氣過(guò)程應發(fā)生在地球表面，深部地幔很難在上地幔停止Xe丟失后依舊持續地釋放Xe，因此plume地幔的低129Xe*/136Xe*Pu特征的形成反映了深部地幔在地球吸積生長(cháng)結束后的初始I/Pu值明顯低于上地幔（圖一）。
圖1 不同地幔Xe丟失關(guān)閉年齡與初始I/Pu比對于Xe同位素的影響。藍色橫線(xiàn)和紅色橫線(xiàn)為觀(guān)測的MORB地幔和plume地幔的129Xe*/136Xe*Pu值。（a）假設MORB地幔和plume地幔的初始I/Pu比相同，只有當MORB地幔的Xe丟失封閉年齡早于plume地幔，才能解釋地幔間的129Xe*/136Xe*Pu值差異。而MORB地幔有更早的Xe丟失封閉年齡在物理上是不合邏輯的；（b）當plume地幔的初始I/Pu比低于上地幔時(shí)，MORB地幔的Xe丟失封閉年齡可以晚于plume地幔而得到觀(guān)測到的地幔間的129Xe*/136Xe*Pu值差異。考慮到I和Pu的半衰期時(shí)間和地球早期形成演化的主要事件的時(shí)間尺度，該初始I/Pu差異是由于地球吸積生長(cháng)過(guò)程造成的（Mukhopadhyay and Parai, 2019）
過(guò)去，有兩種不同的地球吸積生長(cháng)模型被提出，用以解釋初始地幔間的I/Pu差異的形成：（1）下地幔的低I/Pu比是對早期階段吸積物質(zhì)缺少易揮發(fā)元素的記錄。如果地球形成后期的吸積物質(zhì)直接落在早期的物質(zhì)之上且兩者沒(méi)有有效的混合均一，那么地球深部地幔中低的I/Pu比反映了地球早期吸積物質(zhì)相較于后期缺少揮發(fā)性元素（Mukhopadhyay, 2012）。（2）下地幔低的I/Pu比記錄了地球吸積生長(cháng)過(guò)程中的更高溫壓的地核形成事件。激光加溫金剛石對頂砧（LH-DAC）實(shí)驗發(fā)現，在高溫高壓下I元素會(huì )從親石元素變?yōu)橛H鐵元素，即I會(huì )在地核形成過(guò)程中從硅酸鹽巖漿洋進(jìn)入到金屬溶液而最終匯入地核之中。這些缺少I的硅酸鹽巖漿洋如果最終在核幔邊界冷卻結晶，將造成深部地幔的I缺失（Jackson et al., 2018）。相較于第一種模型，第二種模型不需要地球吸積過(guò)程中揮發(fā)性元素的含量變化。但是，兩個(gè)模型都沒(méi)有考慮到Pu在地核形成過(guò)程中的地球化學(xué)行為。在過(guò)去，由于Pu的強放射性以及缺乏有效控制Pu含量的實(shí)驗方法，Pu幾乎沒(méi)有有效的配分數據，只被簡(jiǎn)單地認為是強親石元素且與溫度壓力無(wú)關(guān)。
為解決I和Pu在硅酸鹽溶液和液態(tài)鐵之間的配分這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，加州理工學(xué)院聯(lián)合中國科學(xué)院大學(xué)、巴黎地球物理學(xué)院和加州大學(xué)戴維斯分校等研究機構，采用兩相法第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法 （Zhang and Yin, 2012）得到了這兩種元素在高溫高壓下的配分數據，該方法在之前成功且準確地預測了N、C、Mg、Si、O等元素在高溫高壓下的配分。他們通過(guò)該方法得到的I的配分數據與之前的LH-DAC數據充分吻合（圖2.a），Pu在高溫高壓下的配分數據則是第一次報道（圖2.b）。新的數據顯示，隨著(zhù)平衡溫度的提高，Pu的親石性會(huì )逐漸減弱，這一現象與LH-DAC觀(guān)測到的與Pu同為錒系元素的Th和U的性質(zhì)相吻合。
圖2 I 和Pu在液態(tài)鐵和硅酸鹽熔體之間的化學(xué)反應平衡系數。（a）I的反應為
；（b）Pu的反應為
（Liu et al., 2023）
利用新得到的I和Pu的配分，他們進(jìn)一步建立數值模型模擬了地核形成過(guò)程對于地幔I/Pu值的影響。由于在地核形成過(guò)程中I和Pu都會(huì )在更高的溫度和壓力下從硅酸鹽巖漿洋進(jìn)入到由液態(tài)金屬構成的原始地核中（圖3a），因此在地球吸積物質(zhì)的揮發(fā)性均一的條件下（圖3b），所有過(guò)去提出的合理的地核形成模型都無(wú)法有效地造成足夠的I/Pu比差異以解釋深部地幔的低129Xe*/136Xe*Pu值。所以，必須考慮地球形成過(guò)程中吸積物質(zhì)揮發(fā)性的前后差異。地幔中的中度揮發(fā)性親石元素揭示了地球早期（Phase 1）相較于晚期（Phase 2）的吸積物質(zhì)缺乏揮發(fā)性元素，即可能有更低的I/Pu比。在這種情況下（圖3c），地幔在吸積過(guò)程結束之后的I/Pu比會(huì )顯著(zhù)高于富揮發(fā)性吸積物質(zhì)加入之前的原始地幔（Phase 2開(kāi)始前）。如果部分原始地幔沒(méi)有受到后續富揮發(fā)性吸積物質(zhì)的影響而被一直保存在核幔邊界，這部分未受影響的原始地幔將導致今天的深部地幔儲庫有著(zhù)低的129Xe*/136Xe*Pu值。
圖3 地核形成的參考模型的模擬結果。（a、b）I和Pu的配分在吸積物揮發(fā)性元素含量保持一致的條件下，原始地球各部分I/Pu比（歸一到吸積物的I/Pu）隨吸積質(zhì)量的變化；（c）在吸積物揮發(fā)性元素含量存在前后差異的條件下，地幔I/Pu比（歸一到第一階段吸積物的I/Pu比）隨吸積質(zhì)量的變化（Liu et al., 2023）
進(jìn)一步地，最新的同位素證據（Mo、Cr、Zr等）顯示富含揮發(fā)性的吸積物質(zhì)占地球總質(zhì)量的比例應小于15 wt%，這一估計遠小于過(guò)去所估計的值（40 wt%）。更少的高I/Pu吸積物質(zhì)質(zhì)量占比意味著(zhù)地球晚期吸積物質(zhì)的I/Pu比需要是早期的10倍以上（圖4）。這一差異可以用來(lái)約束地球的吸積生長(cháng)物質(zhì)與地球的揮發(fā)性物質(zhì)的來(lái)源。通過(guò)全面的收集隕石的Xe同位素數據，并使用新的處理方法，研究發(fā)現碳質(zhì)球粒隕石、頑火輝石球粒隕石和普通球粒隕石之間的129Xe*/136Xe*Pu并沒(méi)有顯著(zhù)的差別（10倍以?xún)龋鵁o(wú)球粒隕石（achondrite，只有硅酸鹽成分不含任何鐵質(zhì)）中的129Xe*/136Xe*Pu僅為球粒隕石（chondrite，同時(shí)含有硅酸鹽成分和鐵質(zhì)成分相混合）的 1/40或更少。無(wú)球粒隕石代表著(zhù)其母體（已完成核幔分異的星子）的成分，而球粒隕石代表著(zhù)在未發(fā)生核幔分異的物質(zhì)。因此，深部地幔的Xe記錄了地球前85%的吸積生長(cháng)過(guò)程主要由已經(jīng)完成核幔分異的星子構成，而富含I/Pu的未發(fā)生核幔分異的物質(zhì)將在地球吸積生長(cháng)過(guò)程中的后15%加入到地球之中（圖5）。
圖4 地幔在完成整個(gè)吸積過(guò)程（MORB地幔）與地幔在富揮發(fā)性元素吸積物加入前（plume地幔）的I/Pu比之間的差異與富揮發(fā)性元素吸積物占總吸積過(guò)程的質(zhì)量比之間的關(guān)系（Liu et al., 2023）
同位素證據顯示，富揮發(fā)成分的地球吸積物主要來(lái)源于外太陽(yáng)系（carbonaceous-like，CC），而虧揮發(fā)成分的吸積物主要來(lái)源于內太陽(yáng)系（non-carbonaceous，NC）。在此基礎上，研究結果進(jìn)一步揭示了來(lái)源于內太陽(yáng)系的吸積物在吸積到地球之前已經(jīng)發(fā)生了核幔分異，且在其分異的過(guò)程中已進(jìn)一步的虧損揮發(fā)性元素。因此，地球在其形成過(guò)程中的大部分時(shí)間（大于前85 wt%）都是極度虧損揮發(fā)性成分（包括水）的，而生命所需的揮發(fā)性元素將在地球形成的最后階段（小于15 wt%）被來(lái)源于外太陽(yáng)系的未發(fā)生核幔分異的物質(zhì)帶到地球，進(jìn)而形成了今天的人類(lèi)宜居環(huán)境。這項工作在闡明了地球易揮發(fā)元素的吸積歷史外，也進(jìn)一步支持了內太陽(yáng)系行星的“卵石”吸積模型（pebble accretion），即在內太陽(yáng)系的小顆粒（～1 mm）直接快速地吸積沉降形成大體積的星子（～100 km）并在星子內部發(fā)生核幔分異。同時(shí)，為除I外的其他揮發(fā)性元素在深部地幔中虧損（如K/U，K揮發(fā)性元素，U不揮發(fā)性元素）的形成原因提供了新的可能解釋。
圖5 地球的吸積生長(cháng)歷史（Liu et al., 2023）
主要參考文獻
Jackson C R M, Bennett N R, Du Z, et al. Early episodes of high-pressure core formation preserved in plume mantle[J]. Nature, 2018, 553(7689): 491-495.
Liu W, Zhang Y, Tissot F L H, et al. I/Pu reveals Earth mainly accreted from volatile-poor differentiated planetesimals[J]. Science Advances, 2023, 9(27): eadg9213.（原文鏈接，報道）
Mukhopadhyay S. Early differentiation and volatile accretion recorded in deep-mantle neon and xenon[J]. Nature, 2012, 486(7401): 101-104.
Mukhopadhyay S, Parai R. Noble gases: a record of Earth's evolution and mantle dynamics[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2019, 47: 389-419.
Zhang Y, Yin Q Z. Carbon and other light element contents in the Earth’s core based on first-principles molecular dynamics[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(48): 19579-19583.
（撰稿：劉為一/加州理工學(xué)院）
