?

近日，我校地球和空間科學(xué)學(xué)院吳忠慶教授課題組2019年博士畢業(yè)生王文忠博士（現(xiàn)為英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院和美國(guó)卡耐基科學(xué)研究所聯(lián)合博士后）與李春輝博士（前中科大特任副研究員，現(xiàn)為成都理工大學(xué)副研究員）合作，通過(guò)第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)星云環(huán)境下，行星增生早期星胚（部分）熔融和揮發(fā)過(guò)程是地球貧揮發(fā)性元素的主因，為研究類地行星揮發(fā)性物質(zhì)增生和演化提供重要啟示。該項(xiàng)研究成果以“Sulfur isotopic signature of Earth established by planetesimal volatile evaporation”為題，發(fā)表在國(guó)際著名期刊Nature Geoscience上，第一作者為王文忠博士，通訊作者為王文忠博士和李春輝博士，中國(guó)科大為論文第一單位。合作者包括美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校黃士春教授和李敏博士、英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院John Brodholt教授、美國(guó)卡耐基科學(xué)研究所Michael Walter教授、中國(guó)科大黃方教授和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）王水炯教授，

地球的揮發(fā)性元素（尤其是和生命相關(guān)的C、H、S、N）對(duì)行星形成、演化和可宜居性至關(guān)重要，其增生過(guò)程是地球和行星科學(xué)研究領(lǐng)域長(zhǎng)期關(guān)注的難點(diǎn)問(wèn)題。前人研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于早期太陽(yáng)系的物質(zhì)組成，地球具有類似的難揮發(fā)性元素豐度，但非常虧損揮發(fā)性元素。目前學(xué)界關(guān)于地球揮發(fā)性元素的來(lái)源及其增生過(guò)程一直在爭(zhēng)議，主要有兩派觀點(diǎn)：一種是后期增生模型（Late veneer），即形成地球的初始物質(zhì)幾乎不含揮發(fā)份，現(xiàn)在地球揮發(fā)份含量是在增生末期通過(guò)加入少量富含揮發(fā)份的物質(zhì)（如碳質(zhì)球粒隕石）建立的，其質(zhì)量大概為地球質(zhì)量的0.5%；另一種是行星演化模型（protoplanetary differentiation），即地球初始增生于富含揮發(fā)份的物質(zhì)，但在增生過(guò)程中行星演化，比如早期星胚熔融揮發(fā)，會(huì)導(dǎo)致大量揮發(fā)份丟失，形成目前觀測(cè)到的地球揮發(fā)性元素豐度。

由于早期地球記錄極少被保留下來(lái)，通過(guò)早期地質(zhì)樣品直接研究地球揮發(fā)份的演化歷史很困難。揮發(fā)性元素（例如硫）的穩(wěn)定同位素為示蹤地球的起源和演化提供了關(guān)鍵研究手段。前人發(fā)現(xiàn)硅酸鹽地球（除去地核部分）具有很輕的硫同位素組成，其硫同位素比值比任何一種球粒隕石都要低，這表明硅酸鹽地球的硫不是由球粒隕石后期增生導(dǎo)致的。硫是親鐵元素，在核幔分異形成地核時(shí)會(huì)大量進(jìn)入地核，人們還不清楚核幔分異是否會(huì)改變硅酸鹽地球的硫同位素組成。由于高溫高壓實(shí)驗(yàn)測(cè)定同位素分餾系數(shù)十分困難，在地核形成的高溫高壓條件下，核幔間硫同位素分餾系數(shù)依然未知。

王文忠等通過(guò)基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算獲得了高質(zhì)量的核幔間硫同位素分餾系數(shù)，發(fā)現(xiàn)核幔分異引起的硫同位素分餾幾乎可以忽略不計(jì)，這意味著后期增生模型和核幔分異都不能解釋硅酸鹽地球具有比球粒隕石低的硫同位素比值，且地球整體具有與其硅酸鹽部分一樣的硫同位素組成。結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算和第一性原理計(jì)算，作者發(fā)現(xiàn)在早期太陽(yáng)系H2未完全散去的情況下，星胚發(fā)生部分熔融，硫主要以H2S的形式揮發(fā)，并帶走重硫同位素，使得殘留硅酸鹽富集輕硫同位素。大約90%的原始增生硫揮發(fā)可以定量解釋地球的低硫同位素比值，也可以解釋地球的硫含量。此外，在大碰撞形成月球過(guò)程中，大量硫進(jìn)一步丟失，但由于形成環(huán)境不同，硫丟失會(huì)帶走輕硫同位素，使得月球具有比地球更重的硫同位素組成。本研究表明，地球起源于富揮發(fā)份物質(zhì)，早期揮發(fā)是地球建立現(xiàn)今揮發(fā)性元素組成的關(guān)鍵，這為學(xué)界研究類地行星揮發(fā)份物質(zhì)的起源提供了新的視角。

圖一早期星胚熔融揮發(fā)和月球形成過(guò)程中硫揮發(fā)導(dǎo)致的硫同位素效應(yīng)

該項(xiàng)研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國(guó)自然科學(xué)基金委、中央高校基本科研專項(xiàng)資金、美國(guó)自然科學(xué)基金委、UCL-Carnegie Postdoctoral Scholarship的支持，部分理論計(jì)算在中國(guó)科大超算中心完成。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-021-00838-6

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）