來(lái)源:中科院之聲
人們已經(jīng)知道地球的金屬核里面除了鐵和鎳之外,還含有可觀的碳、硫和硅等輕元素。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(méi)有金屬核都是一個(gè)爭(zhēng)議不斷的問(wèn)題。
近日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)黃方教授團(tuán)隊(duì)與英國(guó)和愛(ài)爾蘭的同行合作,結(jié)合金屬穩(wěn)定同位素和實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的結(jié)果,推測(cè)月球的金屬核中可能含有硫,但是沒(méi)有多少碳。
同位素地球化學(xué),為研究地球和月球的形成提供寶貴信息
一般認(rèn)為,月球的形成與一個(gè)巨大的小行星撞擊地球有關(guān),人們將這個(gè)過(guò)程稱為“月球形成大碰撞”。小行星撞擊地球的能量很高,導(dǎo)致飛濺出去的物質(zhì)可能發(fā)生了氣化,因此這些物質(zhì)中的揮發(fā)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(gè)揮發(fā)性元素逃逸過(guò)程中,對(duì)于某一個(gè)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(fā)生了劇烈撞擊,但是由于地球質(zhì)量較大,引力更強(qiáng),揮發(fā)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(xué)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,都具有硅酸鹽的殼和幔以及金屬的核。地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn),月球的硅酸鹽部分(bulk silicate moon, 以下以BSM代稱)中揮發(fā)性元素(容易氣化逃逸的元素)的含量比地球的硅酸鹽部分(bulk silicate earth以下以BSE代稱)低很多,而且BSM中這些揮發(fā)性元素的同位素組成相比于BSE偏重。
如下圖所示,橫軸代表元素的半凝結(jié)溫度,溫度越低,該元素越容易揮發(fā);縱軸代表BSE和BSM的同位素組成以及差別??梢钥吹剑煌氐陌肽Y(jié)溫度有差別,但是其同位素組成的差別卻和半凝結(jié)溫度不一致,例如銅(Cu)的半凝結(jié)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。

這個(gè)差異到底是如何產(chǎn)生的呢?對(duì)月球的形成和演化有什么啟示?
人們普遍用撞擊-凝聚-氣化模型來(lái)解釋月球的化學(xué)組成,但是它忽略了月球的金屬核形成過(guò)程。月核形成也許可以解釋Cu同位素的異常:因?yàn)镃u和Zn都是親鐵親硫的元素,容易進(jìn)入到金屬核中,而K、Ga和Rb等都是親石的元素,不會(huì)進(jìn)入到金屬核中,但是目前人們并不知道金屬熔體從月球巖漿洋中分離時(shí)同位素分餾的大小。
當(dāng)月核含有硫的時(shí)候,地球和月球的同位素組成差異就可以解釋了
基于這樣一種思考,黃方團(tuán)隊(duì)及其國(guó)際合作者開(kāi)展了針對(duì)月核形成對(duì)于同位素影響的實(shí)驗(yàn)研究,希望進(jìn)一步制約月核中可能存在的物質(zhì)。
他們精確測(cè)定了金屬熔體(代表月核)和硅酸鹽熔體(代表月幔)之間的Cu和Zn同位素分餾系數(shù)。他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)月核含有硫的時(shí)候,月核的形成可以使得BSM的Cu同位素組成偏重更多,這個(gè)結(jié)果很好地解釋了地球和月球之間的同位素組成差異。
相關(guān)論文以“The effect of core segregation on the Cu and Zn isotope composition of the silicate Moon”為題,近日發(fā)表于國(guó)際地球化學(xué)刊物Geochemical Perspective Letters上(Geochem。 Persp。 Let。 12, 12–17)。

同位素地球化學(xué)的研究預(yù)測(cè)了月核中含有硫等輕元素。最近發(fā)表在《自然-地球科學(xué)》上的另一個(gè)工作認(rèn)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(yù)測(cè)月球的內(nèi)核中可能含硫,佐證了黃方等人的新認(rèn)識(shí)。這一認(rèn)識(shí)具有重要的科學(xué)價(jià)值。
月球可能也有過(guò)一個(gè)很短暫的磁場(chǎng)
地球有一個(gè)巨大的磁場(chǎng),保護(hù)著生命不受太陽(yáng)活動(dòng)的破壞,而地球磁場(chǎng)的維持和地核中的輕元素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),輕元素越多,磁場(chǎng)就可能更容易被長(zhǎng)久地維持。但是,人們一直都不確定月球有沒(méi)有過(guò)全球性的磁場(chǎng)。同位素地球化學(xué)的研究支持月球可能也有過(guò)一個(gè)很短暫的磁場(chǎng),這對(duì)于了解內(nèi)太陽(yáng)系行星孕育生命的環(huán)境有重要意義。
這一工作還指出了月核形成對(duì)于月球組分的影響,說(shuō)明在研究月球化學(xué)組成時(shí),不應(yīng)僅僅單純考慮碰撞-氣化過(guò)程,還必須考慮月球的核幔分異過(guò)程。
需要強(qiáng)調(diào)的是,以上認(rèn)識(shí)對(duì)我國(guó)的月球研究也有很好的啟示。對(duì)于月球的研究大多是基于美國(guó)阿波羅計(jì)劃帶回來(lái)的月球樣品,但是阿波羅計(jì)劃采樣地點(diǎn)十分局限,都是采自月球?qū)χ厍虻囊幻?,從?lái)沒(méi)有到達(dá)過(guò)月球背著地球的這一面。
因此,有可能隨著我國(guó)嫦娥計(jì)劃的進(jìn)行,會(huì)改變有關(guān)月球形成、地月系統(tǒng)演化等重要科學(xué)問(wèn)題的理解。我國(guó)嫦娥工程的采樣返回就顯得十分重要,尤其是對(duì)于來(lái)自月球背部樣品的同位素研究,可以為月球形成提供關(guān)鍵信息。