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地球吸积过程中星云气体的捕获被保存在深地幔氖中

自然体积565，页面78 - 81 (2019）引用本文

主题

摘要

行星内部捕获星云气体的证据将对行星形成的模型施加重要的限制。这些约束条件包括吸积时间尺度、热演化、挥发性成分和行星氧化还原状态1，2，3.，4，5，6，7．行星内部对星云气体的保留也限制了与类地行星的组装和随后的演化相关的气体排出和挥发性损失的动力学。但地球内部存在此类气体的证据仍存在争议8，9，10，11，12，13，14．两种原始氖同位素的比例，20.不/22Ne，对于地球挥发物的三个潜在来源有显著不同:星云气体15，太阳风照射的物质16CI球粒陨石17．因此,20.不/22Ne比值是评估地球内部挥发物来源的有力工具。在这里，我们提出了霓虹同位素测量从深层地幔柱揭示20.不/22Ne比值高达13.03±0.04(2个标准差)。这些比率明显高于太阳风照射的物质和CI球粒陨石，要求在地幔深处存在星云氖。进一步，我们确定了a20.不/22原始地幔地幔Ne比值为13.23±0.22(2个标准差)，这与星云比值难以区分，为今天地幔深处保存着星云气体的储层提供了有力的证据。获取星云气体需要行星胚胎在原行星盘消散之前生长到足够大的质量。我们的观察也表明20.不/22深层地幔柱与大洋中脊玄武岩之间的氖元素比率，最好的解释是在地球吸积的主要阶段向浅层地幔添加了球粒石成分，以及随后在板块构造过程中海水衍生的氖元素的再循环。

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图1:两个受羽流影响的morb个体阶跃挤压的氖同位素组成。
图2:morb和柱状影响玄武岩的相对概率函数。
图3:确定地幔柱20.不/22双组分混合阵列的Ne比。
图436基于“增大化现实”技术/22Ne -20.不/22Ne和130Xe /22Ne -20.不/22MORB地幔和受地幔柱影响的玄武岩的Ne系统分类，来自冰岛和罗尚博(萨摩亚地幔柱的样本)。

数据可用性

支持本研究结果的主要数据可在本文、其扩展数据和补充表1中获得，也可在EarthChem数据库(https://doi.org/10.1594/IEDA/111217)．

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下载参考

确认

这项工作由美国国家科学基金会EAR博士后奖学金和美国国家科学基金会拨款EAR-1250419支持。发现样品是在RV的EW9309巡航期间获得的莫里斯·尤因(1993年11月至12月)，并由罗德岛大学海洋学研究生院海洋地质样品实验室提供。

审核人信息

自然感谢D. Graham和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所作的贡献。

作者信息

作者及隶属关系

  1. 美国加州大学戴维斯分校地球与行星科学系

    Curtis D. Williams和Sujoy Mukhopadhyay

作者
  1. 柯蒂斯·d·威廉姆斯
    查看作者出版物

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  2. Sujoy Mukhopadhyay
    查看作者出版物

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贡献

两位作者都对研究的设计、分析和数据处理做出了贡献。C.D.W.根据S.M.的意见写了手稿

相应的作者

对应到柯蒂斯·d·威廉姆斯．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有利益竞争。

额外的信息

出版商的注意:施普林格自然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

扩展数据图1阶跃压碎氖数据中缺乏质量依赖同位素分馏。

Péron等。8建议采用最高测量法20.不/22Ne比值用于描述地幔柱是不合适的，因为在气泡形成过程中可能发生质量依赖同位素分馏8．在这种情况下，气泡形成过程中的质量依赖分馏将导致20.不/22Ne比率在“真实”平均值附近散射，一些气泡的特征是相对较高20.不/22Ne比值相对较低，而其他气泡则相对较低20.不/22Ne比率。这个假设可以通过测量来检验4他/3.他和38基于“增大化现实”技术/36在与氖同位素相同的阶跃碰撞过程中，氩的比率如图所示。一个，b，测得的各个阶跃碰撞的氖同位素组成与氦的同位素组成(一个)及氩(b)以及应用瑞利分馏模型得到的气泡形成过程中质量依赖同位素分馏的预测轨迹78．这里假设亲本熔体有首字母20.不/22Ne比值为12.65±0.08，与参考值相近。8．初始氦和氩同位素组成来自本研究中EW9309_5D样品的平均值(补充表)1)．这些曲线显示了熔体在脱气过程中的轨迹，即瞬间失去的汽相(气泡;短虚线)和汽相的累积演化(气泡;实线)。与这些曲线一起绘制的是本研究(样本EW9309_5D)中的各个台阶挤压(圆)及其相关的2σ不确定性(误差条)。注意4他/3.仅在EW9309_5D的一个样品上测量了He比值。在各个阶跃破碎中测量的氦氖氩同位素组成不遵循预测的瑞利分馏趋势。相反，数据云与预测的同位素分馏趋势呈高角度。例如，对于我们的最高测量20.不/22Ne = 13.03±0.04 (2σ)是质量分馏的结果38基于“增大化现实”技术/36Ar应为0.1847 (b)．然而，被测量的38基于“增大化现实”技术/36Ar = 0.1885±0.0014 (2σ)的数值与大气数值相同，并与其他测定值相似38基于“增大化现实”技术/36羽流和morb中的Ar比。鉴于此，我们得出结论，气泡形成过程中依赖质量的同位素分馏不是产生最高的原因20.不/22Ne比值在这些研究中确定。

图2非柱状影响的morb和柱状影响玄武岩的频率函数。

直方图和核密度估计由测量到的最大氖同位素组成(20.不/22不马克斯)，来自非羽流影响的morb(实心曲线)和羽流影响的玄武岩(虚线曲线)的全球分布、地幔来源的样品，与图所示相似。2．核密度估计使用Matlab曲线拟合工具箱计算，带宽分别为0.16和0.12的非羽流影响morb和羽流影响材料。核密度估计结果比图中观察到的分布略宽。2但不改变主要结论，即测得的最大值之间存在明显差异20.不/22不受羽流影响的morb和受羽流影响的玄武岩Ne比值，morb在a处显示出明显的分界20.不/22Ne比12.5。

图3无柱状影响的MORB样品和柱状影响玄武岩的采集深度。

深度以米为单位。在本研究中突出显示的MORB样本(方块)都是从海平面以下2000至5000米的深度喷发的，而受羽状影响的玄武岩(圆圈)平均在类似或较浅的深度喷发。对于类似的喷发深度，受柱状影响的玄武岩显示得更高20.不/22Ne比不受羽流影响的morb。此外，如果大气污染在这两个种群之间的差异中发挥了作用，受羽状影响的玄武岩应该具有更低的差异20.不/22Ne比值，考虑到它们在样品组中较浅的喷发深度。然而，没有观察到这种关系。因此，我们得出结论，不同的喷发深度并不是图中所示的非柱状影响的morb和柱状影响的玄武岩所观察到的两种不同模式的原因。2．我们注意到冰岛样本DICE 10的喷发深度是未知的，因为它是在冰川下爆发的。在这里，我们为DICE 10样本分配了海平面以下0米的值，但更深的喷发深度不会改变本研究的结果。数据源在扩展数据表中报告1．

图4括号标准的长期外部再现性。

一个，大规模的歧视20.不/22Ne比的函数20.Ne梁尺寸。的20.不/22不同尺寸标准的Ne比值归一化为20.不/22Ne比最大标准(10−14摩尔的20.Ne)。误差条(2σ的相对误差20.不/22Ne同位素比值基于标准物的重现性。b- - - - - -d，标准的重现性20.不/22Ne比率，在3个月的时间内穿插在样本测量中，进行所有步进压碎。个别空气标准上的误差条表示内部测量误差(2SE)，而虚线表示长期(2σ)外部再现性。外部的可重复性20.不/22Ne比值分别为0.03、0.03和0.01 (2σ)20.Ne梁尺寸1.6 × 10−15摩尔(n= 26)， 3.7 × 10−15摩尔(n= 17)和1 × 10−14摩尔(n= 114)。

扩展数据表1最大测量值20.不/22Ne和21不/22非羽流影响morb和羽流影响材料Ne比值
全尺寸表
表2惰性气体端元组成
全尺寸表

补充信息

补充表1

两个受羽流影响的morb个体阶梯挤压的稀有气体丰度和同位素比值。从枕状熔岩中切割出2到5克玄武岩玻璃，装入不锈钢活塞破碎机，在超高真空下进行步进粉碎，然后放入加州大学戴维斯惰性气体实验室的Nu Noblesse质谱仪中。

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Williams, c.d.， Mukhopadhyay, S.地球吸积过程中星云气体的捕获被保存在深地幔氖中。自然565， 78-81(2019)。https://doi.org/10.1038/s41586-018-0771-1

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关键字

  • 星云的气体
  • 氖同位素组成
  • 地幔柱
  • MORB地幔
  • 太阳风注入

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