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镁同位素证据表明，吸积蒸汽流失塑造了行星的组成

自然体积549，页面511 - 515 (2017）引用本文

主题

摘要

长期以来，人们已经认识到，地球和其他分化的行星体与原始的球粒陨石相比，在化学上是分馏的，通过推断，它们形成的原始圆盘。然而，目前尚不清楚行星体显著的挥发性消耗是否是吸积的结果1或者继承自先前的星云分馏2．行星体主要成分的同位素组成可以促成这一争论3.，4，5，6．在这里，我们开发了一种分析方法，纠正了传统方法固有的测量不准确的主要原因，并表明所有分化的天体都具有比球粒陨石更重的同位素镁成分。我们认为，在太阳星云凝聚过程中可能的镁同位素分馏、核心形成和硅酸盐分化不能解释这些观测结果。然而，液体和蒸汽之间的同位素分馏，以及随后在星子增生生长期间的蒸汽逸出，产生了适当的残留成分。我们的模型表明，镁、硅和铁的同位素组成，以及地球和其他行星体主要元素的相对丰度，都是由这种机制导致的不断增长的星子大量(按质量计算约为40%)蒸汽损失的自然结果。

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图1:镁同位素组成以相对于标准DSM-3 δ的偏差表示25/24毫克DSM-3．
图2:累积蒸汽分数中值作为最终行星质量的函数。
图3:蒸发液体的模拟成分与观测到的陆地成分的比较。

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下载参考

确认

我们感谢伦敦自然历史博物馆、美国国家航空航天局、O. Nebel、D. Ionov、S. Nielsen、E. Takazawa、K. Sims、Y. Niu、R. Brooker和C. Robinson为我们提供各种样品。我们感谢C. Bierson对直接流出蒸汽损失模型的帮助。本研究由NERC拨款NE/L007428/1资助给t.e.、C.D.C.和m.j.w.，其动机是NE/C0983/1。ERC Adv赠款321209 ISONEB进一步支持T.E.和C.D.C. NERC赠款NE/K004778/1给Z.M.L.资助的P.J.C.的工作

作者信息

作者指出

  1. 菲利普·卡特

    现地址:美国加利福尼亚州戴维斯，希尔兹大道一号，加州大学戴维斯分校地球与行星科学系，邮编95616

  2. Yi-Jen赖

    现地址:澳大利亚新南威尔士州悉尼Wally’s Walk 12号麦考瑞大学地球分析系地球与行星科学系

  3. 马蒂亚斯•维尔博尔德

    现地址:德国Göttingen大学地质科学研究中心Göttingen (GZG)， Goldschmidtstrasse 1,37077, Göttingen

作者及隶属关系

  1. 布里斯托尔大学地球科学学院，威尔斯纪念大楼，英国布里斯托尔皇后路，BS8 1RJ

    雷姆科·c·欣，克里斯托弗·d·科斯，赖毅仁，菲利普·a·e·波格·冯·斯特兰德曼，马蒂亚斯·威尔博尔德，迈克尔·j·沃尔特和蒂姆·艾略特

  2. 布里斯托尔大学物理学院，威尔斯物理实验室，廷德尔大道，BS8 1TL，布里斯托尔，英国

    菲利普·j·卡特& Zoë M.莱因哈特

  3. 加州大学圣克鲁兹分校地球与行星科学系，美国加州圣克鲁兹95064

    弗朗西斯·尼姆

  4. 地球科学系，地球与行星科学系，伦敦大学学院伦敦地球化学和同位素中心，伦敦大学，伯克贝克，高尔街，伦敦WC1E 6BT，英国

    菲利普·a·e·波格·冯·斯特兰德曼

作者
  1. Remco C. Hin
    查看作者出版物

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  2. 克里斯托弗·d·科斯
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  3. 菲利普·卡特
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  4. 弗朗西斯·尼姆
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  5. Yi-Jen赖
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  6. 菲利普·a·e·波格·冯·斯特兰德曼
    查看作者出版物

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  7. 马蒂亚斯•维尔博尔德
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  8. Zoë M.莱因哈特
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  9. 迈克尔·j·沃尔特
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  10. 蒂姆•艾略特
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贡献

所有数据均由r.c.h.r.c.h.和C.D.C.进行气液模型测量。pjc负责计算有关N身体模拟。F.N.模拟了直接流出的蒸汽损失机制。R.C.H.和T.E.写了手稿。c.d.c.、y.j.l.、P.A.E.P.v.S.和M.W.参与了本研究初始阶段的测量。所有作者都对手稿进行了阅读和评论。

相应的作者

对应到Remco C. Hin．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有相互竞争的经济利益。

额外的信息

审核人信息自然感谢F. Moynier和E. Young对这项工作的同行评审所作的贡献。

出版商注:施普林格《自然》杂志对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

图1碳质球粒陨石镁同位素组成。

这些成分与它们的平均文献氧同位素组成对照53．这些依赖质量的氧同位素测量反映了母体热液的变化20.，因此相关系数(R2= 0.78) Mg和O同位素(以及岩相组)之间的差异54(样本名称括号中所示)表明一些碳质球粒陨石的Mg同位素组成已被热液作用改变。改变最多的样品，在图的右上角，被排除在我们的球粒陨石Mg同位素的方法。

源数据

图2陆相橄榄岩镁同位素组成。

成分对照全岩MgO (一个)和艾尔2O3.（b)的内容。Mg同位素组成与MgO、Al无相关性2O3.表明部分熔融过程中Mg同位素分馏不明显。

源数据

扩展数据图3蒸发液体的模拟组成与观测到的行星组成的比较。

作为图3,显示一个，模拟同位素组成变化(‰/阿姆河)与总相对蒸气损失(F总计摩尔分数)。b，观测到的相对顽火辉石球粒陨石的同位素组成(误差为2 s.e.m.)。c，给定元素(X)的损耗(摩尔分数)，fX,而F总计．d，地地幔摩尔元素/钙的比值7，归一化为顽火辉石球粒陨石31((X / Ca)嗯)．相比图3、观测到的火星同位素组成、长辉石和怒辉石母体以及元素和同位素Fe观测结果(b而且d；Fe同位素数据来自ref。55其中的引用，所有其他的引用图3)．观测到的铁含量和同位素比值的比较因岩心形成而变得复杂，因为大部分铁都进入了岩心。在我们的模型中，我们假设核心中的铁没有受到汽化的影响，推断汽化会在以后发生。例如，~48%的铁损失(c铁含量取决于碰撞汽化前进入地核的铁含量和生长地球的氧逸度演化。为供参考，标记为Fe** in的数据d因此为块状地球的Fe/Ca(由参考文献计算)。56)，而不是大块硅酸盐土中的Fe/Ca。类似地，Si也可以进入核心，尽管其数量可能小于3 wt%(参考。57)．向右的箭头一个表示岩心中3 wt% Si的影响(假设3000 K为金属硅酸盐Si同位素分馏因子)58)．

源数据

扩展数据图4模拟的蒸发液体成分与观测到的行星成分之间的比较。

类似于扩展数据图3，但对于使用CI球粒陨石初始成分的模型运行。一个，模拟同位素组成变化(‰/阿姆河)与总相对蒸气损失(F总计摩尔分数)。b，观测到的相对于CI球粒陨石的同位素组成(误差为2 s.e.m.)。值得注意的是，观测到的Mg和Fe同位素组成是相对于其球粒陨石的平均值，而Si同位素观测到的是相对于碳质和普通球粒陨石的平均值59，因为这些球粒陨石的Si同位素组成难以区分，但与顽火辉石球粒陨石明显不同(见参考文献)。4以及其中的参考资料)。c，给定元素(X)的损耗(摩尔分数)，fX,而F总计．d，地地幔摩尔元素/钙的比值7，归一化为CI球粒陨石7((X / Ca)CI)．就像在扩展数据图3，该死d为块状地球的Fe/Ca。

源数据

扩展数据图5多项研究分析的参考样品镁同位素组成。

阴影区表示本研究中观测到的同位素组成的平均值和2s.e.m.。数据来自本研究和参考文献5，10，11，12，13，14，16，17，60，62，62．注意，从参考文献绘制的Murchison的组成。10是参考文献表1中两个重复的平均值。10．来自ref的BHVO值。16是BHVO-1，其他都是BHVO-2。

扩展数据图6单个撞击的速度变化(由目标体逃逸速度归一化)作为目标体半径的函数。

中线表示中值，阴影框表示第25至75百分位的区域，上线表示第90百分位。体积密度假设为3000千克米−3．

扩展数据图7对于直接蒸汽流出模型，在Grand Tack模拟中分数质量损失作为最终体半径的函数。

这用(白框，如图2 b)，并且不包含(阴影框)继承效果(参见方法)。方框表示中位数，柱形表示第25和第75百分位。

表1本研究Mg同位素分析所用等分消解样品的样品来源及重量
全尺寸表

补充信息

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该文件包含表1(球粒陨石、陆生(超)镁铁质和无球粒陨石的镁同位素组成)的源数据。(xlsx19 kb)

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Hin, R, Coath, C, Carter, P。et al。镁同位素证据表明，吸积蒸汽流失塑造了行星的组成。自然549， 511-515(2017)。https://doi.org/10.1038/nature23899

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