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PNAS:地核及地球的碳含量
2020-05-20 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  碳是生命活動的基礎,也是影響地球環境和氣候變化的重要因素。作為宇宙中豐度排名第四的元素,碳的作用絕不僅僅局限在地球表面,相當數量的含碳物質存在于地球的深部。它們對一系列深部過程,如俯沖板塊礦物脫水、深部地幔熔融等地球動力學過程有深遠的影響。考慮到地核的巨大質量和鐵碳之間密切的聯系,地核長期被認為是地球上最大的碳儲庫。然而,地核形成于地球內部金屬與硅酸鹽地幔的分異,而對于高溫高壓條件下碳在金屬核和硅酸鹽地幔之間分配關系還缺少可靠的約束,學界對于地核的具體碳含量還存在很大的爭議。 

  近日,哈佛大學的Fischer et al. (2020)通過激光加熱金剛石壓腔實驗模擬了早期地球核幔分異的環境,測量了高溫高壓條件下碳在金屬-硅酸鹽兩相之間的分配關系,發現在實驗條件下碳與鐵結合的能力,即所謂的親鐵性,比之前的估計值要低。結合多階段地核形成模型,他們認為地核中的碳的重量百分比在0.09%0.20%之間。盡管這一估計值不會改變地核作為地球最大碳儲庫的地位,但較低的碳含量意味著碳對地核密度和組成的影響要比原先估計的更小。在利用新數據確定了地核的碳含量之后,通過考察不同揮發分的含量關系,Fischer等人對早期地球的初始物質來源給出了制約,提出地球的揮發分主要來自于碳質球粒隕石。相關成果發表在PNAS上。 

  地核中的輕元素一直是深部研究的熱點問題。根據地球物理資料,地核的密度大約要比相同溫壓條件下的鐵鎳合金低,說明其中應當包含有相當數量的元素,常見的猜測有硅、氧、硫、碳等等。作為地表鐵合金中的常見組分,地核中的碳含量一直受到廣泛的重視,前人的研究表明,含碳的地核在內核波速等方面和地球物理結果具有很好的一致性。然而,之前對于地核中含碳量多利用地球化學和宇宙化學相結合的辦法,通過不易進入地核的元素(親石元素)和易于進入地核的元素(親鐵元素)的比例來估算給出,具有較大的不確定性,不同模型給出的估計值從0.2%4%不等。這其中關鍵的數據之一就是核幔分異條件下碳在硅酸鹽和鐵合金之間的分配比例,即所謂的配分系數。早期的實驗結果認為碳是極為親鐵的元素,鐵核中的碳含量可以達到硅酸鹽熔體中的1000-60000倍。然而,這些實驗最高只達到15 GPa2573 K的溫壓條件,顯著低于可能的核幔分異平均溫壓條件,從而影響了對地核碳含量的準確估計。 

  Fischer等人將橄欖石、鐵、鎳、石墨等樣品封閉在高壓的金剛石壓腔中,利用激光加熱樣品到完全熔融,從而實現了4200-5200 K37-59 GPa的高溫高壓環境以模擬核幔分異的條件(圖1)。利用電子探針和納米離子探針對回收樣品兩相(硅酸鹽、鐵鎳合金)中的碳含量進行分析,結果顯示鐵鎳合金中的碳含量僅是硅酸鹽中的1-100倍。 

1 激光加熱金剛石壓腔回收樣品的背散射圖像(A)和12C含量(C),外側為硅酸鹽,中心為鐵鎳合金相Fischer et al., 2020

  綜合前人數據分析,Fischer等人認為碳的分配系數是溫度、壓力、氧逸度和硅酸鹽非橋氧比例(NBO/T)的函數。盡管在低壓條件(1-5 GPa)下碳的分配系數隨壓力增加略有增加,但在12-15 GPa以上的高壓條件下,碳的分配系數隨壓力的增加而顯著降低,碳進入金屬相的能力不及預期(圖2)。碳在地核中的含量較之前估計的要低。  

2 不同溫度壓力條件下碳在金屬和硅酸鹽中的分配系數(Fischer et al., 2020

  以新測定的分配系數為基礎,Fischer等人結合分異模型探討了地核中可能的碳含量,在多階段分異模型中,模型給出的結果顯示地核中的碳含量僅有0.09%0.20 wt%(圖3),這一含量的碳對地核密度和其它性質的影響有限,但仍占全地球碳儲量的78%-89% 

3 地核中的含碳量和含氧量隨核幔分異壓力參數的變化(Fischer et al., 2020

  基于最新的地核碳含量估計,綜合考慮不同揮發分在地球核幔分離過程中的行為,尤其是碳/硫的比例和分配并對比不同類型已知隕石的揮發份含量,Fischer等人提出全球的碳/硫比例約0.12-0.25,考慮到地球形成過程中可能的揮發分丟失,這一比例與碳質球粒隕石的組成相似,從而支持碳質球粒隕石為地球主要揮發分來源的主張。 

  值得一提的是,Fischer等人的最新實驗測量結果與我所張毅剛研究員在2012(Zhang and Yin, 2012)采用第一原理分子動力學這一量子力學理論計算方法給出的預測極為接近。這些工作將前人碳的分配系數降低了大概兩個數量級,顯示了壓力對偏揮發性元素配分的巨大影響,使得我們對地球及其地核碳含量取得了全新的認識。這一新的認知進一步影響了我們對地球總成分、地球物質來源、地球形成過程的認識。     

  【致謝:感謝張毅剛研究員對本文提出的寶貴修改建議。】 

    

  主要參考文獻 

  Fischer R A, Cottrell E, Hauri E, et al. The carbon content of Earth and its core[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(16): 8743-8749.鏈接 

  Zhang Y, Yin Q Z. Carbon and other light element contents in the Earth’s core based on first-principles molecular dynamics[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(48): 19579-19583.鏈接 

(撰稿:張馳/地星室)

 
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