火星作為類地行星演化的“天然實(shí)驗(yàn)室”，其早期分異過(guò)程是行星科學(xué)研究的焦點(diǎn)。近期，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所科研團(tuán)隊(duì)，通過(guò)分析火星隕石的銅同位素組成，揭示了火星分異期間的硫化物分離機(jī)制，為探討類地行星演化歷史提供了新視角。

▲火星演化示意圖

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“化學(xué)指紋”追蹤行星分異

行星形成始于星子的吸積過(guò)程，這些星子的化學(xué)成分通常與球粒隕石相似。在行星演化早期，星子碰撞以及26Al放射性衰變等過(guò)程釋放的能量，常引發(fā)全球熔融，形成巖漿洋。

在巖漿洋環(huán)境中，行星內(nèi)部發(fā)生化學(xué)分異，該過(guò)程對(duì)類地行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)期演化起著決定性作用。其中，星球尺度的硫化物與硅酸鹽地幔的分離，直接調(diào)控親硫元素的遷移與分布，成為探究行星演化的重要環(huán)節(jié)之一。

銅因其強(qiáng)親硫性，以及在硫化物與硅酸鹽熔體間分配時(shí)產(chǎn)生的同位素分餾效應(yīng)，成為示蹤這一過(guò)程的有效指標(biāo)。因此，剖析火星樣品的銅同位素組成，能夠揭示其早期歷史。

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行星分異過(guò)程的“時(shí)間膠囊”

目前，火星隕石是人類唯一能夠獲取的火星樣品，其記錄了火星演化的關(guān)鍵信息。研究團(tuán)隊(duì)選取15塊火星隕石進(jìn)行全巖銅同位素測(cè)試，將整體硅酸鹽火星的銅同位素組成進(jìn)行約束，證實(shí)火星在演化過(guò)程中發(fā)生了顯著的銅同位素分餾。

在行星熔融分異過(guò)程中，鐵合金熔體（包含部分硫）會(huì)沉降形成核心。團(tuán)隊(duì)根據(jù)硫在金屬與硅酸鹽熔體之間的分配模型推測(cè)，金屬核分離后，巖漿洋中的硫處于不飽和狀態(tài)。隨著巖漿洋冷卻，殘余熔體中的硫逐漸富集，最終達(dá)到飽和并析出硫化物熔體。由于密度較高，這些硫化物熔體向行星核心遷移，并攜帶親硫元素（如銅）完成元素的再分配。

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火星地幔的“記憶”

團(tuán)隊(duì)通過(guò)量化模型來(lái)解釋觀測(cè)到的銅同位素組成，定量評(píng)估火星分異過(guò)程中硫化物的分離對(duì)火星地幔的硫和銅含量的影響，并選擇中等揮發(fā)性元素鉀為參考，剖析氣化過(guò)程對(duì)銅含量及其同位素組成的影響。基于硫在硅酸鹽熔體中的飽和濃度模型，團(tuán)隊(duì)確定了硫化物開(kāi)始飽和的臨界條件。

整合硫與銅的分配與分餾模型后，團(tuán)隊(duì)再現(xiàn)了火星分異過(guò)程中硫和銅的地球化學(xué)行為。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)巖漿洋結(jié)晶度達(dá)到約89%時(shí)，硫化物熔體開(kāi)始形成并向核心遷移。

銅同位素?cái)?shù)據(jù)揭示了一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)：當(dāng)殘余巖漿洋深度降至約102千米至105千米時(shí)，溫度降低導(dǎo)致硫化物熔體向下滲透受阻。此后形成的硫化物熔體無(wú)法抵達(dá)地核，被封存于火星地幔中，造成重的銅同位素在火星地幔富集。同時(shí)，由于火星地幔對(duì)流較弱，巖漿洋結(jié)晶分異導(dǎo)致的火星地幔不均一特征得以局部保留，未被對(duì)流作用完全均一化。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64331-z

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所

責(zé)任編輯：侯茜