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科技報導

月核裡有啥?可能有硫



人們已經知道地球的金屬核裡面除了鐵和鎳之外,還含有可觀的碳、硫和矽等輕元素。但是月球的金屬核中的成分卻一直不得而知,甚至月球有沒有金屬核都是一個爭議不斷的問題。

近日,中國科學技術大學黃方教授團隊與英國和愛爾蘭的同行合作,結合金屬穩定同位素和實驗岩石學的結果,推測月球的金屬核中可能含有硫,但是沒有多少碳。

同位素地球化學,為研究地球和月球的形成提供寶貴信息

一般認為,月球的形成與一個巨大的小行星撞擊地球有關,人們將這個過程稱為“月球形成大碰撞”。小行星撞擊地球的能量很高,導致飛濺出去的物質可能發生了氣化,因此這些物質中的揮發性元素逃逸到了浩瀚的宇宙深空之中,脫離了地月體系。

在這個揮發性元素逃逸過程中,對於某一個元素而言,輕的同位素跑得快而重的同位素跑得慢,因此月球的輕同位素比重同位素更容易丟失。地球則不然,雖然也發生了劇烈撞擊,但是由於地球質量較大,引力更強,揮發性元素逃逸得更少,基本上保留了被撞擊前的同位素組成。因此,同位素地球化學為研究地球和月球的形成提供寶貴的信息。

地球和月球之間的同位素組成有差異

月球和地球類似,都具有矽酸鹽的殼和幔以及金屬的核。地球化學研究發現,月球的矽酸鹽部分(bulk silicate moon, 以下以BSM代稱)中揮發性元素(容易氣化逃逸的元素)的含量比地球的矽酸鹽部分(bulk silicate earth以下以BSE代稱)低很多,而且BSM中這些揮發性元素的同位素組成相比於BSE偏重。

如下圖所示,橫軸代表元素的半凝結溫度,溫度越低,該元素越容易揮發;縱軸代表BSE和BSM的同位素組成以及差別。可以看到,不同元素的半凝結溫度有差別,但是其同位素組成的差別卻和半凝結溫度不一致,例如銅(Cu)的半凝結溫度比鉀(K)、鎵(Ga)和銣(Rb)高,但是BSM和BSE之間的Cu同位素組成差異比K、Ga和Rb要大。

月核裡有啥?可能有硫 1

這個差異到底是如何產生的呢?對月球的形成和演化有什麼啟示?

人們普遍用撞擊-凝聚-氣化模型來解釋月球的化學組成,但是它忽略了月球的金屬核形成過程。月核形成也許可以解釋Cu同位素的異常:因為Cu和Zn都是親鐵親硫的元素,容易進入到金屬核中,而K、Ga和Rb等都是親石的元素,不會進入到金屬核中,但是目前人們並不知道金屬熔體從月球岩漿洋中分離時同位素分餾的大小。

當月核含有硫的時候,地球和月球的同位素組成差異就可以解釋了

基於這樣一種思考,黃方團隊及其國際合作者開展了針對月核形成對於同位素影響的實驗研究,希望進一步製約月核中可能存在的物質。

他們精確測定了金屬熔體(代表月核)和矽酸鹽熔體(代表月幔)之間的Cu和Zn同位素分餾係數。他們發現,當月核含有硫的時候,月核的形成可以使得BSM的Cu同位素組成偏重更多,這個結果很好地解釋了地球和月球之間的同位素組成差異。

相關論文以“The effect of core segregation on the Cu and Zn isotope composition of the silicate Moon”為題,近日發表於國際地球化學刊物Geochemical Perspective Letters上(Geochem。 Persp。 Let。 12, 12–17)。

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同位素地球化學的研究預測了月核中含有硫等輕元素。最近發表在《自然-地球科學》上的另一個工作認為,含硫的月核和月幔分異可以解釋月球樣品中的鉑族元素含量 (Brenan et al。 2019 Nature Geoscience),也預測月球的內核中可能含硫,佐證了黃方等人的新認識。這一認識具有重要的科學價值。

月球可能也有過一個很短暫的磁場

地球有一個巨大的磁場,保護著生命不受太陽活動的破壞,而地球磁場的維持和地核中的輕元素有關。一般來說,輕元素越多,磁場就可能更容易被長久地維持。但是,人們一直都不確定月球有沒有過全球性的磁場。同位素地球化學的研究支持月球可能也有過一個很短暫的磁場,這對於了解內太陽系行星孕育生命的環境有重要意義。

這一工作還指出了月核形成對於月球組分的影響,說明在研究月球化學組成時,不應僅僅單純考慮碰撞-氣化過程,還必須考慮月球的核幔分異過程。

需要強調的是,以上認識對我國的月球研究也有很好的啟示。對於月球的研究大多是基於美國阿波羅計劃帶回來的月球樣品,但是阿波羅計劃採樣地點十分局限,都是採自月球對著地球的一面,從來沒有到達過月球背著地球的這一面。

因此,有可能隨著我國嫦娥計劃的進行,會改變有關月球形成、地月系統演化等重要科學問題的理解。我國嫦娥工程的採樣返回就顯得十分重要,尤其是對於來自月球背部樣品的同位素研究,可以為月球形成提供關鍵信息。