Science:地球的水可能来自顽火辉石球粒陨石

地球水的来源一直是地球科学和行星科学研究的热点。氢同位素组成是示踪地球水来源最为重要的依据。现有研究结果表明,太阳系中天体的氢同位素组成有巨大的差异:太阳、木星和土星具有相似的氢同位素组成(δD约为 -865‰),且与星际气体的氢同位素组成相同,该值被认为是太阳星云的初始值;而类地行星、球粒陨石和彗星与太阳相比,其氢同位素组成明显偏高,且差异明显,如地球大洋水(δD=0‰)、碳质和普通球粒陨石(δD=-220-1600‰, R型除外)、彗星(δD=~300‰, 103P/Hartley 2除外)。

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根据氢同位素组成来溯源,有不少研究提出碳质球粒陨石和彗星是地球水的主要来源(MorbiDELLi et al。, 2000;Hartogh et al。, 2011;Marty, 2012),但是却无法解释地球水与碳质球粒陨石和彗星水在氢同位素上的明显差异。近些年来,越来越多的高精度同位素分析表明,顽火辉石球粒陨石(EC)与地球在O、Cr、Ti、Ca等同位素组成上几乎完全相同,顽火辉石球粒陨石可能是建造地球的主要材料。

顽火辉石球粒陨石(图1)形成于非常还原的环境,其中的Na和K元素都可以以硫化物的形式产出,因此一般认为顽火辉石球粒陨石形成于靠近太阳的位置(图2)。从星云演化角度看,靠近太阳的位置氢不可能以羟基或水分子的形式与矿物结合,但是仍有报道发现在顽火辉石球粒陨石中可以有含水矿物,如Djerfisherite (Fuchs, 1966)。

近期,法国洛林大学的 Laurette Piani 博士对13块不同热变质程度的顽火辉石球粒陨石(3-6型)进行了水含量和氢同位素分析,同时还分析了一块被认为是顽火辉石球粒陨石受热后的产物——顽火辉石无球粒陨石Aubrite。

图1 典型的顽火辉石球粒陨石标本(Sahara 97096)(图自 French National Museum of Natural History)

图1 典型的顽火辉石球粒陨石标本(Sahara 97096)(图自 French National Museum of Natural History)

图2 太阳系概要图 (Lin et al., 2020)

图2 太阳系概要图 (Lin et al。, 2020)

分析结果表明该顽火辉石球粒陨石的全岩水含量为0.08 – 0.54 wt%,而顽辉石无球粒陨石的水含量为0.3 ± 0.2 wt%,显着低于富水的碳质球粒陨石(7.2-9.1wt%)。EH3和EH4的氢同位素均值(δD =-103±3‰)低于目前的地球大洋水,EH5、EH6和Aubrite的氢同位素组成更低(δD = -127±15 ‰)(图3)。同时,利用离子探针对Sahara 97096球粒中的玻璃组分进行了原位水含量和H同位素分析。分析结果表明其玻璃组分中水含量为2700-12300 ppm, 氢同位素比值均一(δD = -147±16 ‰)。由于没有发现Sahara 97096中存在水蚀变的任何证据,因此可以认为该球粒的基质未受到后期水蚀变等事件的干扰。

统计结果表明,球粒的基质水含量约占全岩水的13%,有机质的水只占7.7%,那剩下的约80% 的水从何而来?是不是来自主要组成矿物-顽火辉石(属于低钙辉石)?前人研究表明S型小天体Itokawa上辉石的水含量可达700-1000 ppm和普通球粒陨石(OC) Larkman Nunatak 12036中辉石的水含量可达600-1300 ppm (Jin and Bose, 2019)。Aubrite中顽火辉石的水含量可达5300 ppm,结合顽火辉石在EC中的模式含量(50 vol%),估算顽火辉石的水含量占到全岩水的15%(基于OC)或58%(基于Aubrite)。该研究表明地球的水可以完全由顽火辉石球粒陨石提供。

图3 顽火辉石球粒陨石水含量和氢同位素组成 (Piani et al。, 2020)。(A)全岩水含量(指对数表示);(B)全岩氢同位素组成;(C)球粒中基质的水含量;(D)球粒中基质的氢同位素组成

图3 顽火辉石球粒陨石水含量和氢同位素组成 (Piani et al。, 2020)。(A)全岩水含量(指对数表示);(B)全岩氢同位素组成;(C)球粒中基质的水含量;(D)球粒中基质的氢同位素组成

由于部分富水的CM型碳质球粒陨石的氢同位素组成也落在地幔的范围,因此为了进一步证实顽火辉石球粒陨石是地球水的来源,需要额外的同位素指标来判别。氢-氮同位素组成是一个非常好的指标,分析结果表明只有顽火辉石球粒陨石的氢-氮同位素组成在地幔岩石的范围之内(图4),因此可以认为顽火辉石球粒陨石不仅提供了水,也是建构地球的主要物质,与高精度同位素分析的结果相符。Piani等人将分析数据应用到地球形成的理论模型之中,发现类似顽火辉石球粒陨石的物质可为地球贡献3.4-23.1倍的地球大洋水,玻璃组分和有机质可贡献3-4倍的大洋水,这与地幔水含量的估值相一致。

图4 陨石和地球的氢同位素和氮同位素组成  (Piani et al。, 2020)

图4 陨石和地球的氢同位素和氮同位素组成  (Piani et al。, 2020)

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