Science:地球的水可能來自頑火輝石球粒隕石

2020-11-22 騰訊網

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，但是仍有報導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。

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）

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巖水含量為0.08 - 0.54 wt%，而頑輝石無球粒隕石的水含量為0.3 ± 0.2 wt%，顯著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幹擾。

統計結果表明，球粒的基質水含量約佔全巖水的13%，有機質的水只佔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佔到全巖水的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。

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）全巖水含量（指對數表示）；（B）全巖氫同位素組成；（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範圍，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巖石的範圍之內（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。

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

【致謝：感謝地星室張志剛副研究員對本文提出的寶貴修改意見。】

主要參考文獻

Fuchs L H. Djerfisherite, alkali copper-iron sulfide: a new mineralfrom enstatite chondrites[J]. Science, 1966, 153(3732): 166-167.

Hartogh P, Lis D C, Bockelée-Morvan D, et al.Ocean-like water in the Jupiter-family comet 103P/Hartley 2[J]. Nature, 2011,478(7368): 218-220.

Jin Z, Bose M. New clues to ancient water on Itokawa[J]. ScienceAdvances, 2019, 5(5): eaav8106.

Lin Y, Zhang Y, Hu S, et al. Concepts of the Small Body SampleReturn Missions-the 1 st 10 Million Year Evolution of the Solar System[J].Space Science Reviews, 2020, 216: 1-22.

Marty B. The origins and concentrations of water, carbon, nitrogenand noble gases on Earth[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 313:56-66.

Morbidelli A, Chambers J, Lunine J I, et al. Source regions andtimescales for the delivery of water to the Earth[J]. Meteoritics &Planetary Science, 2000, 35(6): 1309-1320.

Piani L, Marrocchi Y, Rigaudier T, et al. Earth’s water may have been inherited from material similarto enstatite chondrite meteorites[J]. Science, 2020, 369(6507): 1110-1113.

（撰稿：計江龍，胡森/地星室）

校對：陶琴

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    該論文指出研究人員通過對一種名為頑火輝石球粒隕石的物質進行重新檢測，發現其中存在著較多的氫元素和氧元素，而這兩種元素是組成水分子的必要元素。而頑火輝石球粒隕石很可能參與到地球的形成過程，由此可以推測地球上的液態水可能是它自己形成的。
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    ，此前有觀點認為，地球上的水由撞擊地球的彗星或小行星帶來。但法國科學家在最新一期美國《科學》雜誌上撰文稱，他們通過對隕石進行研究認為，地球上的水可能源於頑火輝石球粒隕石等物質釋放的氫。這表明地球形成之初就擁有足夠的形成水的基礎元素，也就是說，地球自誕生之日起就比較潮溼。頑火輝石球粒隕石也被學術界稱為「E型球粒隕石」，被認為是原始太陽系星雲凝聚產生的物質。頑火輝石球粒隕石數量稀少，僅佔已知隕石的2%。
  • 地球之水哪裡來？科學家找到新證據！並非天外
    但法國科學家在最新一期美國《科學》雜誌上撰文稱，他們通過對隕石進行研究認為，地球上的水可能源於頑火輝石球粒隕石等物質釋放的氫。頑火輝石球粒隕石也被學術界稱為「E型球粒隕石」，被認為是原始太陽系星雲凝聚產生的物質。頑火輝石球粒隕石數量稀少，僅佔已知隕石的2%。它們與地球上的巖石具有相似的氧、鈣同位素組成，因此，科學家認為頑火輝石球粒隕石很可能參與了地球的形成。
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