近日，

成都理工大學

李春輝副研究員同王文忠（原中國科大博士、現英國UCL和美國華盛頓卡耐基研究所聯合博士後）、中國科大的吳忠慶和黃方教授、中國地質大學的王水炯教授、英國倫敦大學學院John Brodholt教授、美國內華達大學拉斯維加斯分校黃士春教授和李敏博士、卡耐基科學研究所Michael Walter教授等進行了深入合作，

就地球上硫的起源問題提出了一種新的假說，並將研究結果釋出於Nature Geoscience

。李春輝副研究員為共同通訊作者。

地球是太陽系內非常獨特的一顆行星：它的表面有浩瀚的海洋、多姿多彩的生命，有花崗岩質的廣袤大陸，有溝通深部地球與地球表層的板塊運動，由基於地球資源和人類智慧繁衍壯大的璀璨文明。大多數地球這些獨特的性質需要地球的揮發性元素提供這樣或那樣的支撐。然而，人類對於地球上揮發性元素的起源一直存在爭議，甚至對於地球的一些最重要的揮發性元素的基本特徵也未達成共識。其中一個重要的原因是揮發性元素地球化學行為十分複雜。以硫為例，前人基於硫元素地球化學行為的不同側面，提出了地球上硫來源完全不同的假說。

硫既是一個強親鐵元素，在核幔分異過程中進入地核中；它也是一個揮發性元素，有可能在會遭受類似岩漿去氣過程，逃逸到別處。Wang & Becker（2013，Nature）透過測定地幔橄欖岩中硫（S）、硒（Se）和碲（Te）（該三者的地球化學行為十分類似）及鉑族元素的含量，發現地幔中的S與Ir的比值與碳質球粒隕石在誤差範圍內一直。考慮到在地球的形成過程中絕大多數硫可能都進入了地核，前人於是提出地幔中現在能檢測到的硫是地核形成以後，隕石加入到地幔中帶來的。前人在此基礎上，進一步提出地球上的水很大程度上也和隕石的加入有關。這就是備受矚目的

晚期薄層增生假說（Late Veneer）

。

如果地幔中的硫是隕石帶來的，那麼地幔中的硫同位素組成應該可以提供額外的關鍵資訊。Labidi等（2013，Nature）研究了大洋中脊玄武岩的硫同位素組成，他們發現地球的硫同位素組成（δ34/32S）的值為-1。3‰左右，明顯低於隕石的平均值（δ34/32S =0 ‰）。因此，作者判斷地幔中的硫可能與隕石的加入關係不大，而是地球核幔分異的產物。以Labidi為首的科學團隊，隨後詳細測定了高溫高壓下（<2 GPa和<2000 K）金屬相-矽酸鹽相之間的硫同位素平衡分餾係數，他們將獲取的資料外推到地球核幔分異的條件下（>20 GPa和>2500 K），發現代表地核的金屬相更加富集重硫同位素，而代表地幔的矽酸鹽部分更加富集輕硫同位素（Labidi et al。 2016， GCA）。這就是

核幔分異假說

。

研究人員注意到Labidi等透過高溫高壓實驗測定的硫同位素平衡分餾係數可能不能外推到更高的溫壓條件下：因為已經有實驗和理論計算的研究表明，隨著壓力的升高，熔體的結構會發生明顯的變化，熔體結構的變化會影響原子間的成鍵形式，進而對同位素平衡分餾係數造成影響。因此，基於密度泛函理論，其工作利用第一性原理和分子動力學，計算在壓力區間4~105 GPa和溫度等於3000 K條件下，不同價態的硫在矽酸鹽熔體和金屬熔體中的結構資訊。進而發現若硫處於還原狀態，金屬相和矽酸鹽相之間的硫同位素平衡分餾係數約等於0，即核幔分異不會造成地核和地幔之間的硫同位素組成差異。因此，地幔的硫同位素組成就可以代表整個地球的硫同位素組成。以此推測，月球矽酸鹽幔的硫同位素組成可以代表整個月球，火星矽酸鹽幔的硫同位素組成可以代表整個火星。於是，他們發現，

月球的硫同位素組成比地球高，隕石的硫同位素組成也比地球高。三者之間地球<隕石<月球

。

要解釋這樣的現象，需要對地球及月球的形成理論假說有一個大致的瞭解。太陽佔太陽系總質量的99。98%，因此太陽的化學組成就代表了整個太陽系的化學組成。在太陽系的眾多其它物質中，碳質球粒隕石，尤其是CI型碳質球粒隕石的化學組成與太陽的光球層化學組成幾乎完全一致，因此，人們推測碳質球粒隕石是太陽系較大天體的原始建造物質，地球也不例外。這就是他們為什麼會比較地球與隕石的硫同位素組成。但是，月球與地球不一樣。他們研究月球的時候，一般不直接拿月球和隕石做比較，而是拿月球和地球作比較。這是因為，科學家普遍認為月球是地球被一顆火星那麼大的小行星撞擊，“飛濺”出來的物質形成的，即

月球形成大碰撞假說

。

解決問題，先從簡單的開始。Wang & Jacobsen （2016， Nature）認為月球的K同位素組成之所以比地球更重這一觀察事實，可以用高能月球形成大碰撞模型來解釋（Synestia，即星巢模型）。同樣的，月球的硫比地球的偏重，也可以做類似解釋。（需要指出的是，這涉及到了同位素動力學分餾效應。）問題是，地球的硫同位素組成為什麼比隕石偏輕？硫最重要的地球化學性質就兩個：揮發性和親鐵性。前文已經說明親鐵性不能解釋，那麼按照月球形成這種揮發性，地球應該比隕石偏重才對。

這就涉及到同位素地球化學的另一個重要概念：

同位素平衡分餾

。前文提到月球比地球更富集重同位素，是由於在月球形成過程中輕同位素更容易逃逸到太空中造成的。這是一個類似於真空的環境。但是，地球形成的過程，地球的前體物質（例如星子）形成的過程，未必發生在一個真空環境裡面。這是因為太陽系是由太陽星雲演化而來的，太陽星雲是由分子星雲塌縮形成的。分子星雲主要的組成物質就是氫。前人研究表明，太陽星雲中的氫在5~10百萬年以後才會消散殆盡。因此，在地球的前體物質及地球的形成過程中，太陽星雲並不是一個真空環境。研究者發現，

在太陽星雲中的氫尚未消散時，硫的揮發性不同於在真空環境

：此時硫主要以硫化氫的形式逃逸，氣體相和矽酸鹽熔體之間近乎平衡分餾，逃逸的硫化氫氣體帶走重的硫同位素，剩下的矽酸鹽熔體變得富集輕硫同位素。這一模型不僅可以解釋地球與隕石的硫同位素組成差異，也可以解釋地球的硫元素含量特徵。至此，

他們提出了一個內在邏輯自洽的假說解釋地球上硫的起源問題。這一研究思路可以延伸到其它地球的其它揮發性元素的研究中

。

該項研究工作得到了Nature Geoscience編輯部和審稿專家的認可，編輯部特邀審稿專家、中國科學院廣州地球化學研究所李元研究員進行了亮點點評。正如李元研究員在點評中所指出的那樣，儘管仍有一些觀察現象無法用本工作提出的假說來解釋，但是毫無疑問，此研究工作可能會激發出很多新的研究，

進一步促進有關類地行星形成的相關重要科學問題的研究

。

拓展閱讀

李春輝副研究員

為成都理工大學2012年礦物學、岩石學、礦床學碩士，隨後公派至德國柏林自由大學攻讀地球化學博士學位，2016年博士畢業。2017-2020年在中國科大為地質學博士後及特任副研究員，本工作主要為此期間的產物。2020年5月起，加入到劉耘教授領銜的行星科學國際研究中心，在劉耘教授、張兆峰教授及孫新蕾教授的指導下，

全程參與了我國首個行星科學本科專業——行星科學英才班的建設

。

素材來源成都理工大學