銅同位素“鑰匙”解碼火星早期演化 | 科技前線

火星作為類地行星演化的“天然實驗室”，其早期分異過程是行星科學研究的焦點。近期，中國科學院地球化學研究所科研團隊，通過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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“化學指紋”追蹤行星分異

行星形成始于星子的吸積過程，這些星子的化學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，行星內部發(fā)生化學分異，該過程對類地行星的內部結構和長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。

銅因其強親硫性，以及在硫化物與硅酸鹽熔體間分配時產生的同位素分餾效應，成為示蹤這一過程的有效指標。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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行星分異過程的“時間膠囊”

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鍵信息。研究團隊選取15塊火星隕石進行全巖銅同位素測試，將整體硅酸鹽火星的銅同位素組成進行約束，證實火星在演化過程中發(fā)生了顯著的銅同位素分餾。

在行星熔融分異過程中，鐵合金熔體（包含部分硫）會沉降形成核心。團隊根據硫在金屬與硅酸鹽熔體之間的分配模型推測，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”

團隊通過量化模型來解釋觀測到的銅同位素組成，定量評估火星分異過程中硫化物的分離對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，剖析氣化過程對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，團隊確定了硫化物開始飽和的臨界條件。

整合硫與銅的分配與分餾模型后，團隊再現了火星分異過程中硫和銅的地球化學行為。模擬結果顯示，當巖漿洋結晶度達到約89%時，硫化物熔體開始形成并向核心遷移。

銅同位素數據揭示了一個關鍵轉折點：當殘余巖漿洋深度降至約102千米至105千米時，溫度降低導致硫化物熔體向下滲透受阻。此后形成的硫化物熔體無法抵達地核，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，由于火星地幔對流較弱，巖漿洋結晶分異導致的火星地幔不均一特征得以局部保留，未被對流作用完全均一化。

論文鏈接：

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

來源：中國科學院地球化學研究所

責任編輯：侯茜