中國科大在行星揮發份增生演化方面取得進展

　　近日，中國科學技術大學地球和空間科學學院特任教授王文忠與多位國際學者合作，探究了類地行星增生演化過程中的同位素分餾，發現了地球在早期吸積階段便已積聚足夠多的揮發性元素，而吸積形成的星胚熔融揮發進一步重塑了地球的揮發份含量。相關研究成果以Chalcogen isotopes reveal limited volatile contribution from late veneer to Earth為題，發表在《科學進展》（Science Advances）上。

　　揮發性元素如碳、氫、硫和氮等，對生命至關重要。闡釋地球如何增生這些揮發性元素，是探索類地行星形成和演化的關鍵，也是進一步探究地球如何演化成可宜居星球的基礎。傳統理論認為，形成地球的初始物質嚴重缺乏揮發份，而目前地球所具有的揮發份豐度主要是在增生晚期通過加入少量富含揮發份的外太陽系物質形成的。這一過程發生在地核形成之后，被稱為“后期增生模型”（Late veneer），意味著構成生命的多數元素是在地球形成之后才到達地球的。

　　太陽系行星的吸積形成與演化發生在約45多億年前。揮發性元素的穩定同位素可以作為指紋來追蹤這些過程，為探討類地行星揮發份的起源和演化提供了關鍵研究手段。通過對比地球和球粒隕石（被認為是形成地球的初始物質）的揮發性元素同位素信息，可以進一步厘清地球揮發份的來源。這樣的方法需要科學家剖析地球增生演化過程中的同位素分餾。

　　然而，行星形成演化過程往往處于高溫高壓條件下，通過實驗測定同位素分餾頗具挑戰性。例如，地核的形成發生在超過3000 K和20萬個大氣壓的條件下，后者相當于目前地球內部600公里的深度。王文忠等長期從事利用第一性原理計算研究極端條件下同位素平衡分餾系數，建立了可靠的理論計算方法以預測星胚揮發和核幔分異過程中的同位素分餾。

　　該研究關注硫族元素（硫、硒和碲）的同位素。研究通過第一性原理計算發現，在早期太陽系星云氫氣未完全散去的情況下，星云物質凝聚形成星胚導致熔融揮發從而使得星胚富集輕硫、重硒和重碲同位素；而核幔分異不會導致明顯的硫、硒和碲同位素分餾。這與地球的觀測結果吻合，即地球相較于其初始物質具有偏輕的硫同位素組成，但具有偏重的硒和碲同位素組成。進一步的模擬表明，星胚揮發丟失約90%的硫、硒和碲可以同時定量解釋地球的低硫同位素比值、高硒和碲同位素比值，而“后期增生”的作用可忽略不計。

　　研究表明，地球在吸積初始階段增生了大量的揮發性元素，后續的星胚演化過程重塑了地球的揮發份儲庫。這挑戰了傳統的“后期增生”理論。上述成果改變了科學家對行星演化的認知，并為進一步研究行星形成分異與宜居環境演化之間的關系提供了新視角。

　　研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。部分理論計算在中國科大超算中心完成。