新聞動(dòng)態(tài)廣州地化所在類地行星及月球碳化學(xué)方面取得新進(jìn)展
從天體化學(xué)和地球化學(xué)的角度來講，碳是一個(gè)極其重要的揮發(fā)性元素。碳影響類地行星的形成和演化；碳在行星內(nèi)部和大氣圈之間的交換以及行星大氣圈中CO2的含量也影響著行星表層環(huán)境氣候的演化和變遷。比如，碳可以促進(jìn)行星硅酸鹽幔的熔融，而熔融所產(chǎn)生的玄武巖如果有高的CO2含量則有利于此玄武巖以火山形式噴發(fā)；早期地球和火星大氣圈中如果存在大量CO2，則非常有利于早期地球和火星保持一個(gè)相對(duì)溫暖濕潤的環(huán)境，從而可以解決早期地球和火星的氣候問題—著名的“Faint Young Sun Paradox”，也從而有利于行星早期生命的起源、形成和演化。
碳在行星以及月球內(nèi)部的存在的形式受控于氧逸度（fO2）。地球在其巖漿海（Magma Ocean）結(jié)晶分異后，上地幔迅速被氧化到FQM左右（FMQ= Fayalite-Magnetite-Quartz oxygen buffer）, 而火星和月球硅酸鹽幔則一直處于還原狀態(tài)，fO2在IW左右 （IW=Fe-FeO oxygen buffer；IW～ FMQ-4）；而水星的fO2則低至IW-6。那么在這些星體的硅酸鹽幔部分熔融過程中，碳是以何種形式存在的？這些硅酸鹽幔部分熔融所產(chǎn)生的玄武巖可以攜帶多少碳釋放到大氣圈中？這些碳能否解決火星的“Faint Young Sun Paradox”？ 近些年的研究表明，月球以及水星早期都存在火山噴發(fā)，那么這些碳能不能成為月球以及水星表層巖漿噴發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力？
為此，廣州地化所高溫高壓組李元開展了高溫高壓實(shí)驗(yàn)，研究火星幔熔融條件下，碳在火星玄武巖中的存在形式以及溶解度。拉曼光譜、紅外光譜、電子探針以及離子探針綜合分析表明，碳在火星玄武巖中主要以碳酸鹽的形式溶解，碳在火星玄武巖中的溶解度隨著fO2的降低而降低。此研究所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與先前所發(fā)表的碳在行星條件下的溶解度數(shù)據(jù)相結(jié)合，李元等人推導(dǎo)出一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)—半熱力學(xué)公式。此公式可以用于預(yù)測碳在火星、水星以及月球硅酸鹽幔部分熔融所產(chǎn)生玄武巖中的溶解度。預(yù)測結(jié)果表明：（1）火星幔部分熔融過程中碳可能被耗盡；整個(gè)火星地殼產(chǎn)生過程中，釋放到火星大氣圈中的CO2總量不足1bar。這遠(yuǎn)低于解決火星“Faint Young Sun Paradox”所需的CO2量（2bar）。因此，火星幔去碳無法解決火星的“Faint Young Sun Paradox”。
（2）月球玄武巖中可能含幾十到幾百ppm碳，這和實(shí)際觀測的月球玄武巖橄欖石中熔體包裹體中的碳含量相一致，因此CO2/CO可能是月球火山噴發(fā)的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力。
（3）雖然水星表層以及水星殼含有大量的石墨，但由于水星幔極低的fO2以及低的水含量，水星玄武巖可能只能攜帶小于10ppm的碳釋放到地表。因此，玄武巖從水星幔中所攜帶的碳不足以成為水星玄武巖噴發(fā)的一種重要驅(qū)動(dòng)力。
以上研究成果于6月1號(hào)在線發(fā)表在《Journal of Geophysical Research: Planets》上。論文信息：Li, Y., R. Dasgupta, and K. Tsuno (2017), Carbon contents in reduced basalts at graphite saturation: Implications for the degassing of Mars, Mercury, and the Moon, J. Geophys. Res. Planets.
此研究受中科院先導(dǎo)專項(xiàng)“地球深部過程及表層效應(yīng)” 和美國航空航天局NASA共同資助。
圖1 整個(gè)火星地殼形成過程中釋放到大氣圈中CO2的總量
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017JE005289/full.
同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 & 科技與規(guī)劃處 供稿
