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我国学者利用铜、锌同位素揭示月核形成过程

从中国科大获悉,该校地球和空间科学学院黄方教授团队建立了高精度的铜-锌同位素分析方法,在此基础上与国外同行合作,通过高温高压实验岩石学,精确地测定了硅酸盐熔体和金属熔体之间的铜和锌同位素平衡分馏系数,及其制约月核的成分和形成过程。研究成果日前发表在国际地球化学重要刊物《地球化学远景通讯》(Geochemical Perspective Letters)上。

大碰撞假说认为,月球形成于一个火星大小的行星和原始地球在45亿年前发生的大碰撞。碰撞后的物质飞溅到太空,在月球轨道聚集增生,形成炙热熔融的月球岩浆洋,之后从中分异出月核、月幔和月壳的结构。大碰撞事件深刻地改变了地月系统的行星环境和化学组成,是地月系统经历的最重要行星事件。一般认为,大碰撞时的挥发作用会改变月球的元素和同位素组成,但是对于月球圈层分异、特别是月核形成过程还知之甚少,主要原因是缺乏对元素和同位素地球化学行为的了解。

铜(Cu)和锌(Zn)既是挥发性元素,它们可以制约碰撞过程中的挥发效应;又是亲铁-亲硫元素,也可以制约核幔分异过程。因此可用来探讨月核分异对于月球化学组成的影响。

研究发现,含硫的金属熔体相对硅酸盐熔体显著富集轻的铜和锌同位素,而不含硫的金属熔体和硅酸盐熔体之间的分馏较小。这个结果很好的解释了地球和月球之间金属稳定同位素组成的差别。月、地之间较大的锌同位素分馏明显反映了挥发过程的影响;虽然铜的挥发性比钾和钙要弱,但是月、地之间的铜同位素组成差异要比钾和钙同位素要大。这可能是因为月球的铜同位素组成不仅受到大碰撞时挥发作用的控制,也会受到月核形成时含硫金属熔体从月球岩浆洋分离的影响;而钾和钙不进入月核,因此不受月核形成的影响。

这一研究对于理解月球的挥发分组成、月核冷凝以及月球磁场的维持、地月之间晚期加积都有重要意义。

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