新聞動態(tài)管世東等-GCA： 第一性原理揭示磷在核幔分異過程中的分配機制
????磷是DNA與RNA的必需組分，其地球化學行為對行星分異和生命演化研究具有重要指示意義。作為典型的中等親鐵元素，磷的金屬/硅酸鹽分配系數(shù)對壓力（P）和溫度（T）極為敏感，是限定早期巖漿洋熱力學條件的關(guān)鍵參數(shù)。現(xiàn)有研究表明：硅酸鹽地球（BSE）的磷豐度出現(xiàn)明顯虧損（圖1），其虧損機制被認為與核幔分異有關(guān)，即在核幔分異過程中，磷在高壓下的親鐵性導致大量的磷進入地核。然而，在核幔分異所對應(yīng)的高壓條件下，磷的分配行為至今仍未厘清。并且現(xiàn)有低壓（<20 GPa）實驗數(shù)據(jù)顯示，磷的擬合結(jié)果呈現(xiàn)多種價態(tài)。這種價態(tài)分歧外推至高壓區(qū)間，顯著放大了分配系數(shù)的不確定性。
圖1：以CI球粒隕石為基準，經(jīng)Mg歸一化的硅酸鹽地球元素豐度隨50%冷凝溫度的變化。
圖2：前人實驗及本研究不同價態(tài)磷在金屬和硅酸體系中的分配系數(shù)。
?????針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所博士研究生管世東在導師王煜研究員和杜治學研究員的指導下，聯(lián)合美國普林斯頓大學鄧杰團隊，采用第一性原理分子動力學方法，系統(tǒng)考察了10–135 GPa、3000–5000 K條件下三種價態(tài)（+5、+2、0價）磷的分配特征。結(jié)果表明，各價態(tài)分配系數(shù)均隨壓力出現(xiàn)展現(xiàn)明顯升高趨勢（圖2）。在高壓端元，磷的分配系數(shù)極高——這意味著早期增生階段進入地球的磷，幾乎盡數(shù)被地核“吸走”，從而為核幔分異導致BSE磷虧損提供了直接證據(jù)。
圖3：（a）單階段及（b）多階段增生模型
?????結(jié)合早期地球增生模型，傳統(tǒng)單階段模型假設(shè)地球僅經(jīng)歷一次核幔分異。模擬表明，在該模型對應(yīng)的核幔分異壓力（圖3a灰色區(qū)）下，磷的分配系數(shù)過高，與BSE觀測值（紫色區(qū)）不符。為達到現(xiàn)階段BSE中磷的觀測值，必須考慮多階段增生模型，并引入末期大撞擊的化學不平衡機制：地球經(jīng)歷多次核幔分異，而最后數(shù)次巨型撞擊因規(guī)模大、混合時間短，其金屬核無法與周圍地幔充分平衡，直接并入原始地核。進一步研究表明，若末期撞擊體已分異，則需至少兩次完全不平衡事件（圖3b）；若撞擊體保持未分異，則單次約6 %地球質(zhì)量的碳質(zhì)球粒隕石（CC）胚胎撞擊即可滿足BSE磷觀測約束。本研究首次將多價態(tài)磷的高壓分配行為量化，為非平衡增生模型提供了關(guān)鍵證據(jù)。
????該成果于近日發(fā)表在國際地學期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上，本研究得到國家自然科學基金（項目編號：42222204）、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（項目編號：XDB0840200）以及廣東省自然科學基金（項目編號：2024A1515012214）的資助。
論文信息：Guan, SD (管世東), Luo, HY (羅海洋), Du, ZX (杜治學), Deng, J (鄧杰), Wang, Y* (王煜), 2025. Ab initio?simulations on metal-silicate partitioning of phosphorus during Earth’s core formation, Geochimica et Cosmochimica Acta?411, 39-49, https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.11.017.
