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月核里可能有硫

人们已经知道地球的金属核里面除了铁和镍之外,还含有可观的碳、硫和硅等轻元素。但是月球的金属核中的成分却一直不得而知,甚至月球有没有金属核都是一个争议不断的问题。

近日,中国科学技术大学黄方教授团队与英国和爱尔兰的同行合作,结合金属稳定同位素和实验岩石学的结果,推测月球的金属核中可能含有硫,但是没有多少碳。

同位素地球化学,为研究地球和月球的形成提供宝贵信息

一般认为,月球的形成与一个巨大的小行星撞击地球有关,人们将这个过程称为“月球形成大碰撞”。小行星撞击地球的能量很高,导致飞溅出去的物质可能发生了气化,因此这些物质中的挥发性元素逃逸到了浩瀚的宇宙深空之中,脱离了地月体系。

在这个挥发性元素逃逸过程中,对于某一个元素而言,轻的同位素跑得快而重的同位素跑得慢,因此月球的轻同位素比重同位素更容易丢失。地球则不然,虽然也发生了剧烈撞击,但是由于地球质量较大,引力更强,挥发性元素逃逸得更少,基本上保留了被撞击前的同位素组成。因此,同位素地球化学为研究地球和月球的形成提供宝贵的信息。

地球和月球之间的同位素组成有差异

月球和地球类似,都具有硅酸盐的壳和幔以及金属的核。地球化学研究发现,月球的硅酸盐部分(bulk silicate moon, 以下以BSM代称)中挥发性元素(容易气化逃逸的元素)的含量比地球的硅酸盐部分(bulk silicate earth以下以BSE代称)低很多,而且BSM中这些挥发性元素的同位素组成相比于BSE偏重。

如下图所示,横轴代表元素的半凝结温度,温度越低,该元素越容易挥发;纵轴代表BSE和BSM的同位素组成以及差别。可以看到,不同元素的半凝结温度有差别,但是其同位素组成的差别却和半凝结温度不一致,例如铜(Cu)的半凝结温度比钾(K)、镓(Ga)和铷(Rb)高,但是BSM和BSE之间的Cu同位素组成差异比K、Ga和Rb要大。

《月核里可能有硫》
这个差异到底是如何产生的呢?对月球的形成和演化有什么启示?

人们普遍用撞击-凝聚-气化模型来解释月球的化学组成,但是它忽略了月球的金属核形成过程。月核形成也许可以解释Cu同位素的异常:因为Cu和Zn都是亲铁亲硫的元素,容易进入到金属核中,而K、Ga和Rb等都是亲石的元素,不会进入到金属核中,但是目前人们并不知道金属熔体从月球岩浆洋中分离时同位素分馏的大小。

当月核含有硫的时候,地球和月球的同位素组成差异就可以解释了

基于这样一种思考,黄方团队及其国际合作者开展了针对月核形成对于同位素影响的实验研究,希望进一步制约月核中可能存在的物质。

他们精确测定了金属熔体(代表月核)和硅酸盐熔体(代表月幔)之间的Cu和Zn同位素分馏系数。他们发现,当月核含有硫的时候,月核的形成可以使得BSM的Cu同位素组成偏重更多,这个结果很好地解释了地球和月球之间的同位素组成差异。

相关论文以“The effect of core segregation on the Cu and Zn isotope composition of the silicate Moon”为题,近日发表于国际地球化学刊物Geochemical Perspective Letters上(Geochem。 Persp。 Let。 12, 12–17)。

《月核里可能有硫》
同位素地球化学的研究预测了月核中含有硫等轻元素。最近发表在《自然-地球科学》上的另一个工作认为,含硫的月核和月幔分异可以解释月球样品中的铂族元素含量 (Brenan et al。 2019 Nature Geoscience),也预测月球的内核中可能含硫,佐证了黄方等人的新认识。这一认识具有重要的科学价值。

月球可能也有过一个很短暂的磁场

地球有一个巨大的磁场,保护着生命不受太阳活动的破坏,而地球磁场的维持和地核中的轻元素有关。一般来说,轻元素越多,磁场就可能更容易被长久地维持。但是,人们一直都不确定月球有没有过全球性的磁场。同位素地球化学的研究支持月球可能也有过一个很短暂的磁场,这对于了解内太阳系行星孕育生命的环境有重要意义。

这一工作还指出了月核形成对于月球组分的影响,说明在研究月球化学组成时,不应仅仅单纯考虑碰撞-气化过程,还必须考虑月球的核幔分异过程。

需要强调的是,以上认识对我国的月球研究也有很好的启示。对于月球的研究大多是基于美国阿波罗计划带回来的月球样品,但是阿波罗计划采样地点十分局限,都是采自月球对着地球的一面,从来没有到达过月球背着地球的这一面。

因此,有可能随着我国嫦娥计划的进行,会改变有关月球形成、地月系统演化等重要科学问题的理解。我国嫦娥工程的采样返回就显得十分重要,尤其是对于来自月球背部样品的同位素研究,可以为月球形成提供关键信息。

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