摘要
我们对大气形成的理解主要依赖于惰性气体及其同位素，氙(Xe)是早期行星阶段的关键示踪剂。然而，一个长期存在的问题是Xe大气损耗的起源1以及地球的轻同位素2和火星3.．在此，我们报告了在高压和高温条件下，在空气或氮气中稀释Xe和氪(Kr)的长石和橄榄石样品中富集的重Xe同位素为+0.8 ~ +2.3‰阿姆河， Xe > Kr富集较强，上部+2.3‰/阿姆河值为最小值，因为可能会定量捕获未反应的Xe，无论是在气泡中还是吸附在样品上。根据这些结果，我们提出了一个解决Xe缺失问题的方案，该方案涉及原始行星阶段的多个岩浆海洋阶段事件，并结合大气损失。这些事件中的每一个都导致Xe在深度被捕获，并优先保留其重同位素。在地球的情况下，重Xe部分后来通过大陆侵蚀和/或冥古宙长英质地壳的再循环，被添加到次级CI球粒陨石大气中。
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参考文献
安德斯，E.和欧文，T.火星和地球:挥发物的起源和丰度。科学198， 453-465(1977)。
Krummenacher, D.， Merrihue, C. M.， Pepin, R. O. & Reynolds, J. H.陨石氪和钡与氙中的一般同位素异常。Geochim。Cosmochim。学报26， 231-249(1962)。
斯温德尔，T. D.，卡夫，M. W. & Hohenberg, C. M.氙和其他惰性气体。Geochim。Cosmochim。学报50， 1001-1015(1986)。
Ozima, M. & Podosek, F. A.地球的形成年龄129我/127我和244聚氨酯/238U系统学和Xe缺失。j .地球物理学。Res。104， 25493-25499(1999)。
Avice, G.， Marty, B. & Burgess, R.太古宙氙揭示的地球大气的起源和脱气历史。Commun Nat。8， 15455(2017)。
Dauphas, N. & Morbidelli, A. in地球大气和海洋起源的地球化学和行星动力学观点(编Holland, H. D. & Turekian, K. K.) 115-234 (Elsevier, 2014)。
关于类地行星大气和陨石挥发物的起源和早期演化。伊卡洛斯92克ydF4y2Ba， 2-79(1991)。
Hébrard, E. & Marty, B.太阳紫外线照射下早期地球大气中惰性气体-碳氢化合物的耦合演化。地球的星球。科学。列托人。385， 40-48(2014)。
zhnle, K. J, Gaseca, M. & Catling, D. C.奇怪的信使:地球上氢的新历史，由氙讲述。Geochim。Cosmochim。学报244， 56-85(2019)。
道法斯，n。地球大气的双重起源。伊卡洛斯165， 326-333(2003)。
Bekaert, d.v.， Broadley, M. W. & Marty, B.根据67P/ Churyumov-Gerasimenko彗星获得的惰性气体数据重新审视地球上挥发性元素的起源和命运。科学。代表。10， 5796(2020)。
马蒂，B.等人。67P/ Churyumov-Gerasimenko的氙同位素表明彗星对地球大气层有贡献。科学356， 1069-1072(2017)。
Piani, L.等人。地球上的水可能来自于顽火辉石球粒陨石的类似物质。科学50， 1110-1113(2020)。
贾沃伊等人。地球的化学成分:顽火辉石球粒陨石模型。地球的星球。科学。列托人。293， 259-268(2010)。
Boyet, M.等人。顽火辉石球粒陨石EL3是地球的基石:关于146Sm -142和系统误差。地球的星球。科学。列托人。214， 427-442(2018)。
行星内部惰性气体的反应性。前面。理论物理。8， 157(2020)。
Dewaele, A.等人。氙氧化物的合成与稳定性2O5和Xe3.O2在压力下。Nat,化学。8， 784-790(2016)。
斯塔夫鲁，E.等。地球核心热力学条件下氙和铁镍金属间化合物的合成。理论物理。启。120， 096001(2018)。
Crépisson, C.， Blanchard, M.， Lazzeri, M.， Balan, E. & Sanloup, C.从第一原理计算对橄榄石中Xe掺入机制的新约束。Geochim。Cosmochim。学报222， 146-155(2018)。
α-石英中氙滞留的从头算研究。期刊。提供者。事22， 025501(2010)。
Crépisson, C.等。的Xe-SiO2系统在中压和高温下运行。Geochem。地球物理学。Geosyst。20.， 992-1003(2019)。
Shcheka, s.s. & Keppler, H.地球稀有气体特征的起源。自然490， 531-535(2012)。
帕莱，R. & Mukhopadhyay, S.挥发性物质再循环进入地幔历史的氙同位素约束。Geochim。Cosmochim。学报560， 223-227(2018)。
克兰兹，J. A.帕尔曼，S. W. & Kelley, S. P.蛇纹岩俯冲作用下重惰性气体循环。地球的星球。科学。列托人。521， 120-127(2019)。
霍兰德，G. & Ballentine, C. J.海水俯冲控制地幔的重惰性气体组成。自然441， 186-191(2006)。
莫雷拉，M.，昆兹，J. & Allègre, C.爆孔岩中的稀有气体系统:上地幔中的同位素和元素组成。科学279， 1178-1181(1998)。
Hennecke, E. W. & Manuel, o.k.夏威夷捕虏岩中的惰性气体。自然257， 778-780(1975)。
波瑞达，R. J. &法利，K. A.萨摩亚捕虏体中的稀有气体。地球的星球。科学。列托人。113， 129-144(1992)。
丘朋，G.，松本，T.，汉德勒，M. R. &松田，j . i .。澳大利亚北昆士兰昆坎山尖晶石橄榄岩捕虏体中的稀有气体:次大陆岩石圈地幔中未受干扰的morb型稀有气体。化学。青烟。266， 19-28(2009)。
黑田，谢里尔，R. D. &杰克逊，K. C.花岗岩中稀有气体的丰度和同位素组成。Geochem。J。11， 75-90(1977)。
Palma R. L.， Rao M. N.， Rowe M. W. & Koeberl, C.北美玻璃陨石中的氪气分馏。流星。星球。科学。32， 9-14(1997)。
Bekaert, D. V.， Avice, G.， Marty, B. & Henderson, B.对月球斜长岩60025,60215,65315的逐步加热可能揭示了月球上的原生惰性气体成分。Geochim。Cosmochim。学报218， 114-1315(2017)。
Drescher, J.， Kirsten, T. & Schäfer, K.大陆地壳的稀有气体库存，由KTB大陆深钻项目回收。地球的计划。科学。列托人。154， 247-263(1998)。
埃尔金斯-坦顿，L. T.，伯吉斯，S. & Yin, Q.-Z。月球岩浆海洋:凝固过程与月球岩石学和地质年代学的协调。地球的星球。科学。列托人。304， 326-336(2011)。
Frossard, P.， Boyet, M.， Bouvier, A.， Hammouda, T. & Monteux, J.内太阳系行星上形成斜长岩地壳的证据。Geochem。Persp。列托人。11， 28-32(2019)。
布维尔，L. C.等。火星上极其快速的岩浆海洋结晶和地壳形成的证据。自然558， 586-589(2018)。
卡罗，G，波登，B，伯克，j - l。Moorbath, S.高精度142Nd /144陆地岩石中的Nd测量:对地幔早期分化的限制。Geochim.Cosmochim。学报70， 164-191(2006)。
Harrison t.m.， Schmitt a.k.， McCulloch m.t. & Lovera o.m.地壳早期(≥4.5 Ga)形成:Lu-Hf， δ18冥古宙锆石O、Ti测温结果。地球的星球。科学。列托人。268， 476-486(2008)。
Erkaev, N. V.等人。火星原大气逃逸和初始水库存。星球。空间科学。98， 106-119(2014)。
Tucker, J. M. & Mukhopadhyay, S.地幔惰性气体多次岩浆海洋脱气和大气损失事件的证据。地球的星球。科学。列托人。393， 254-265(2014)。
Jambon, A.， Weber, H. & Braun, O.玄武岩熔体中He, Ne, Ar, Kr和Xe的溶解度在1250-1600°C范围内。地球化学意义。Geochim。Cosmochim。学报50， 401-408(1986)。
吉洛，B. & Sator, N.高压硅酸盐液体中的惰性气体:计算机模拟研究。Geochim。Cosmochim。学报80， 51-69(2012)。
Brož， M.， Chrenko, O.， Nesvorný， D. & Dauphas, N.通过行星胚胎的扭矩驱动收敛迁移形成早期类地行星。Nat。阿斯特朗。5， 898-902(2021)。
Schlichting, H. E. & Mukhopadhyay, S.大气影响损失。空间科学。牧师。214， 34(2018)。
哈珀，C. L.证据92克Nb在太阳系早期的新发现和评价p-过程宇宙天文钟从92克Nb /92克ydF4y2Ba密苏里州。12,54。J。466， 437-456(1996)。
Jaupart, E.， Charnoz, S. & Moreira, M.行星胚胎中的原始大气合并和类地行星中霓虹灯的起源。伊卡洛斯293， 199-205(2017)。
Crépisson, C.等。长石玻璃中的氪环境和熔体:高压、高温x射线吸收研究。化学。青烟。493， 525-531(2018)。
Kohara, S.等。致密顽辉石和镁镁石组成玻璃的拓扑顺序与玻璃形成能力的关系。国家科学院学报美国108， 14780-14785(2011)。
Holland, G.， Cassidy, M. & Ballentine, C. J.地球地幔中的陨石氪暗示了大气的晚期吸积源。科学326， 1522-1525(2009)。
Heber, V. S.， Brooker, R. A.， Kelley, S. P. & Wood, B. J.稀有气体(氦、氖、氩、氪和氙)对橄榄石和斜辉石的晶体熔体分配。Geochim。Cosmochim。学报71， 1041-1061(2007)。
Sanloup, C.， Schmidt, B. C.， Gudfinnsson, G.， Dewaele, a . & Mezouar, M.氙和氩:橄榄石深部的对比行为。Geochim。Cosmochim。学报75， 6271-6284(2011)。
Péron, S. & Moreira, M.由氙异常确定的挥发性再循环进入地幔的开始。Geochem。Persp。列托人。9， 21-25(2018)。
托尔斯提金，I. N.和O 'nions, R. K.地球上丢失的氙:早期脱气和大气中稀有气体损失的结合。化学。青烟。115， 1-6(1994)。
横池，R. &马蒂，B.地球化学约束的地幔动力学在冥古宙。地球的星球。科学。列托人。238， 17-30(2005)。
萨诺，Y.，马蒂，B. &伯纳德，P. in大气中的稀有气体(ed. Burnard, P.) 17-31 (Springer-Verlag, 2013)。
Crépisson, c。缺失的氙':地壳和上地幔矿物中氙储存的实验和理论研究．博士论文，索邦大学(2018)。
普鲁托，G.， Scaillet, B.， Pichavant, M. & Maury, R.来自俯冲海洋地壳的含水硅熔体地幔交代作用的证据。自然410， 197-200(2001)。
郭庆林，郭庆林，郭庆林。一种在高压实验中加载气体的简单装置。点。矿物。74， 1383-1384(1989)。
Horlait, D.等。一种新的热解吸激光加热装置，用于研究惰性气体在高温下从材料中扩散和释放。启科学。Instr。92克ydF4y2Ba， 124102(2021)。
贝文顿，p.r. &罗宾逊，d.k.。物理科学数据约简与误差分析“，第三版(麦格劳-希尔，2003)。
确认
导致这些结果的研究由法国CNRS PRIME80和CNRS MITI Défi ISOTOP计划资助。我们感谢B. Lavielle和D. Bekaert的富有洞察力的讨论，感谢R. Faure和B. Thomas在MS测量方面的技术援助，感谢T. Chematinov对步进加热实验的有益参与。扫描电镜测量是在FIB和IMPMC的扫描电镜设备上完成的，由Région Ile de France拨款SESAME 2006 N°I-07-593/R和法国国家研究机构(ANR)拨款no。anr - 07 -上海步浪- 0124 - 01。我们感谢G. Prouteau提供的圣卡洛斯橄榄石样品，以及索邦大学Université的矿物学收藏提供的长石样品。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
c。s。和d。h。设计了项目，国税局和c。s。执行了高潮- t实验、i.r.、D.H.和E.G.在惰性气体光谱仪上进行分析。c。s。根据国税局和国土安全部的意见写的论文
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Ray Burgess和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审文件可用。
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
a, Xe分馏作为合成和质谱分析之间时间的函数，b, Xe分馏作为样品质量的函数。如预期的那样，为清晰起见，从该图中删除了以没有可检测到的分馏为特征的样品的数据点(在1400°C下运行或100% Xe负载气体)。竖直误差条代表同位素分馏计算的SE
扩展数据图2测量结果汇总δn实验值通过激光加热增加步骤实现。
而不是分析激光熔化碎片后释放的所有Xe，可调谐加热激光器首先设置为较低的功率(表示为应用于激光源的功率电压V)。每个加热平台保持几分钟，使用方法部分中描述的相同的一般方案，用质谱分析释放的Xe。他们在橄榄石和三苯胺样品上做了一些尝试。它们都指向Xe主要在熔点(或接近熔点)离开材料。只有两个桑尼丁实验，S1-11d与1%Xe气体和S1-19b与100%Xe气体，导致成功测量了两者的所有加热步骤δn和[Xe]值，如图所示。每个点面积与在加热平台处提取的Xe含量([Xe])成正比。星星是δn组合所有的值δn测量和加权的每个[Xe]，换句话说δn如果样本碎片直接熔化，我们就会测量。对于S1-11d (1% Xe气体)，我们观察到的变化δn大约是加热斜坡的两倍。对于同样的样品，在最低的激光电压下证明了未分馏的成分，但只占边际部分(占总释放Xe的5.3%)。由于在相同的加热功率下，S1-19b的Xe释放量仅为总Xe的45% (100% Xe气)，这一数值较低T释放可能与被困为气泡的Xe有关。最高的T，即．在样品熔点处，S1-19b和S1-11d测得分数分别为0.54±0.12‰/amu和0.61±0.11‰/amu，这表明Xe组分中含有一些分馏的Xe，但仍有未分馏的Xe组分降低了整体测量值δn．这间接证实了Xe化学掺入和相关的同位素分馏发生在所有样品中T≤1100℃;δn对于100% Xe气体制备的样品，接近于零，这只是由于一种破坏现象，其程度与Xe分压成正比:矿物过饱和(气泡形成，如图扩展数据图所示)。3.)．用于构建该图的详细数据见补充资料文件中给出的S111d和S1-19b的结果表，合成条件见扩展数据表1
扩展数据图3 AsB模式下的SEM图像。
一个而且b，长石sanidine 1加载1mol % Xe和1mol % Kr富集空气(与合成S1-13和S1-14相同)。圆形暗区b是否有合成气泡在抛光过程中被发现和打开。c，一个sanidine 1负载100 mol% Xe(与合成S1-17, S1-18和S1-19相同)。较亮的地区cXe气泡，在过饱和样品中发现，即．加载100mol % Xe气体。
权利和权限
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Rzeplinski, I.， Sanloup, C.， gilbert, E.。et al。深硅酸盐中保留的氙的冥古宙同位素分馏。自然606， 713-717(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-04710-4
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04710-4
