Science:地球的水可能來自頑火輝石球粒隕石

地球水的來源一直是地球科學和行星科學研究的熱點。氫同位素組成是示蹤地球水來源最為重要的依據。現有研究結果表明,太陽系中天體的氫同位素組成有巨大的差異:太陽、木星和土星具有相似的氫同位素組成(δD約為 -865‰),且與星際氣體的氫同位素組成相同,該值被認為是太陽星雲的初始值;而類地行星、球粒隕石和彗星與太陽相比,其氫同位素組成明顯偏高,且差異明顯,如地球大洋水(δD=0‰)、碳質和普通球粒隕石(δD=-220-1600‰, R型除外)、彗星(δD=~300‰, 103P/Hartley 2除外)。

根據氫同位素組成來溯源,有不少研究提出碳質球粒隕石和彗星是地球水的主要來源(MorbiDELLi et al。, 2000;Hartogh et al。, 2011;Marty, 2012),但是卻無法解釋地球水與碳質球粒隕石和彗星水在氫同位素上的明顯差異。近些年來,越來越多的高精度同位素分析表明,頑火輝石球粒隕石(EC)與地球在O、Cr、Ti、Ca等同位素組成上幾乎完全相同,頑火輝石球粒隕石可能是建造地球的主要材料。

頑火輝石球粒隕石(圖1)形成於非常還原的環境,其中的Na和K元素都可以以硫化物的形式產出,因此一般認為頑火輝石球粒隕石形成於靠近太陽的位置(圖2)。從星雲演化角度看,靠近太陽的位置氫不可能以羥基或水分子的形式與礦物結合,但是仍有報道發現在頑火輝石球粒隕石中可以有含水礦物,如Djerfisherite (Fuchs, 1966)。

近期,法國洛林大學的 Laurette Piani 博士對13塊不同熱變質程度的頑火輝石球粒隕石(3-6型)進行了水含量和氫同位素分析,同時還分析了一塊被認為是頑火輝石球粒隕石受熱後的產物——頑火輝石無球粒隕石Aubrite。

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圖1 典型的頑火輝石球粒隕石標本(Sahara 97096)(圖自 French National Museum of Natural History)

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圖2 太陽系概要圖 (Lin et al。, 2020)

分析結果表明該頑火輝石球粒隕石的全岩水含量為0.08 – 0.54 wt%,而頑輝石無球粒隕石的水含量為0.3 ± 0.2 wt%,顯着低於富水的碳質球粒隕石(7.2-9.1wt%)。EH3和EH4的氫同位素均值(δD =-103±3‰)低於目前的地球大洋水,EH5、EH6和Aubrite的氫同位素組成更低(δD = -127±15 ‰)(圖3)。同時,利用離子探針對Sahara 97096球粒中的玻璃組分進行了原位水含量和H同位素分析。分析結果表明其玻璃組分中水含量為2700-12300 ppm, 氫同位素比值均一(δD = -147±16 ‰)。由於沒有發現Sahara 97096中存在水蝕變的任何證據,因此可以認為該球粒的基質未受到後期水蝕變等事件的干擾。

統計結果表明,球粒的基質水含量約占全岩水的13%,有機質的水只占7.7%,那剩下的約80% 的水從何而來?是不是來自主要組成礦物-頑火輝石(屬於低鈣輝石)?前人研究表明S型小天體Itokawa上輝石的水含量可達700-1000 ppm和普通球粒隕石(OC) Larkman Nunatak 12036中輝石的水含量可達600-1300 ppm (Jin and Bose, 2019)。Aubrite中頑火輝石的水含量可達5300 ppm,結合頑火輝石在EC中的模式含量(50 vol%),估算頑火輝石的水含量占到全岩水的15%(基於OC)或58%(基於Aubrite)。該研究表明地球的水可以完全由頑火輝石球粒隕石提供。

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圖3 頑火輝石球粒隕石水含量和氫同位素組成 (Piani et al。, 2020)。(A)全岩水含量(指對數表示);(B)全岩氫同位素組成;(C)球粒中基質的水含量;(D)球粒中基質的氫同位素組成

由於部分富水的CM型碳質球粒隕石的氫同位素組成也落在地幔的范圍,因此為了進一步證實頑火輝石球粒隕石是地球水的來源,需要額外的同位素指標來判別。氫-氮同位素組成是一個非常好的指標,分析結果表明只有頑火輝石球粒隕石的氫-氮同位素組成在地幔岩石的范圍之內(圖4),因此可以認為頑火輝石球粒隕石不僅提供了水,也是建構地球的主要物質,與高精度同位素分析的結果相符。Piani等人將分析數據應用到地球形成的理論模型之中,發現類似頑火輝石球粒隕石的物質可為地球貢獻3.4-23.1倍的地球大洋水,玻璃組分和有機質可貢獻3-4倍的大洋水,這與地幔水含量的估值相一致。

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圖4 隕石和地球的氫同位素和氮同位素組成  (Piani et al。, 2020)

來源:cnBeta