总访问量：
李杰,Dec. 2, 2022
杨林此次汇报的是2022年刊登在GCA的一篇文献，结合黄老师2014年发表的一篇文章（在在地球上岩浆洋结晶过程可以造成上地幔和下地幔之间硅同位素分馏），总结了文章的科学问题：火星岩浆洋部分结晶也可能会导致不同的硅同位素储层的存在。
火星在早期吸积过程中，经历了部分或完全熔融状态，形成了岩浆洋。14年黄老师的研究已经表明，在地球上岩浆洋结晶过程可以造成上地幔和下地幔之间硅同位素分馏。因此火星岩浆洋的部分结晶也可能会导致不同的硅同位素储层的存在。这篇文献的工作是研究岩浆洋硅同位素特征是否会存在于火星地幔中，以及调查岩浆洋结晶与SNC陨石硅同位素记录的可能变化之间是否存在关系。
文章给出了十二颗火星陨石的硅同位素组成（干法测量），误差线对应于2SE不确定度，阴影区域对应所有样品的2SD，显示数据的有限离散（SNC陨石均值：δ30Si=-0.46±0.07‰）。
图1 火星陨石硅同位素组成
此处杨林补充了火星陨石的分类介绍，具体如下表：
表1 火星陨石分类及主要矿物
|
火星陨石分类 |
主要矿物 |
|
辉玻无球粒陨石（Shergottite） |
属于玄武质矿物,主要由易变辉石、普通辉石和熔长石等矿物组成。 |
|
辉橄无球粒陨石（Nakhlite） |
普通辉石是Nakhlite中主要的辉石堆晶矿物，它约占陨石总质量的80%，都含有伊丁石的蚀变产物。 |
|
纯橄无球粒陨石（Chassignite） |
在矿物学上90%的富铁橄榄石组成。 |
汇报内容分四个部分，分别为：1）火星核形成过程对SNC陨石硅同位素的作用；2）岩浆分异过程中是否产生硅同位素分馏；3）蒸发过程是否发生硅同位素分馏4）岩浆洋结晶过程中的硅同位素分馏。
1、火星核形成过程对SNC陨石硅同位素的作用
金属和硅酸盐之间的硅分配实验表明，轻硅同位素应在金属组分中富集，而在硅酸盐相中富集重硅同位素。因此，火星核幔分异过程可能会造成硅同位素分馏，产生硅同位素异质性的地幔储库。在金属核心形成过程中，随着氧逸度降低，温度、压力升高，硅含量会升高；随着氧逸度降低，金属核心中硅含量升高。
而火星核温度、压力和氧逸度(fO2 )是基于SNC陨石的丰度计算得到的，这些较氧化的还原条件和偏低的核压力阻止了硅进入金属相，即火星核中硅含量很少。因此，SNC的硅同位素组成不受金属核心形成过程的影响。
18年洞察号火星探测器成功着陆于火星赤道附近。在火星表面布设了首台火震仪SEIS，开启了人类对火星内部结构直接探测的新篇章。Stahleret al. （2021）采用地震学建模、地球物理建模和地球动力学建模三种方法，并参考火星重力和卫星轨道测量数据，建模揭示火星核的尺寸为1830±40km，火星核的密度为5.7-6.3g/cm。对于火星核成分和火星幔矿物组成有了更强的约束。另外为了与新的火星核大小和密度数据相对应，火星核应该有更大量的轻元素，而且很可能是O、H、C等轻元素。
2、岩浆分异过程是否产生硅同位素
火星陨石中硅同位素与其二氧化硅或氧化镁含量的变化没有相关性(R2= 0.14).因此，样品间的硅同位素的差异与岩浆分化或部分熔化无关。
图2 火星陨石的硅同位素分化
3、蒸发过程
如果有液体的存在，岩浆洋的形成可能会导致硅同位素的蒸发分馏。由于是在研究地幔储层之间的硅同位素差异，主要问题是不同深度形成的不同储层是否可能经历了不同程度的硅损失导致硅同位素分馏。文章使用中等挥发性元素与难熔元素的比例，得到SNC的Zn/Fe、Rb/Ba和、Cs/Ba比值与δ30Si无相关性，表明该过程不能影响SNC陨石中硅同位素的变化。因此，地幔异质性的存在似乎与挥发性损失无关。
4、岩浆岩结晶过程存在硅同位素分馏
矿物间的硅同位素质量相关分馏依赖于熔体聚合度、硅氧键长度和矿物和熔体中的硅配位数，14年黄老师利用第一性原理的方法计算了从陆地岩浆洋中结晶的矿物相之间的硅同位素分馏因子，计算结果表明，地球下地幔δ30Si值比上地幔低0.08‰~0.11‰。鉴于硅同位素已被证明可以在各种高压矿物和熔体之间产生分馏，因此高压相矿物与硅酸盐熔体平衡结晶可能产生火星不寻常的硅同位素特征。
05年Draper建立了火星岩浆洋结晶模型，在每个结晶阶段，假设矿物组合在与残留熔体隔离之前与周围的熔体处于化学平衡状态，并且由于熔融地幔的强烈对流，假设熔体是化学均匀的。
未加镁钙钛矿作为初始物质，δ30Si模拟计算的范围在-0.354‰到-0.506‰之间，这与在SNC陨石中发现的范围一致。而如果假设在岩浆洋的最底部有一个大约360公里的镁-钙钛矿层，固体占比为5%，计算出的某阶段堆晶物有一个非常轻的δ30Si值为一0.79‰,因为没有证据表明在SNC陨石中存在如此低值的Si同位素组成，也证实了火星核幔边界不存在镁钙钛矿。
通过我们组密度泛函理论计算的地幔矿物的硅同位素分馏因子，以及一种基于熔体中硅的配位来计算矿物与熔体之间的同位素分馏系数的方法，得到岩浆洋结晶不同阶段的矿物组合。进一步研究观测到的Si同位素特征是否与岩浆洋结晶过程中形成的地幔储层相对应，我们重点关注了Sm-Nd系统，因为它是硅酸盐分化过程的明确示踪剂，并利用模型计算了堆晶物的Sm/Nd特征。不考虑在样品中直接测量的Sm/Nd，是因为这个比值可能被岩浆的部分熔化和部分结晶过程所改变。因此，我们不使用在SNC陨石中测量的Sm/Nd，而是基于143Nd值计算了地幔源区的147Sm/144Nd比值。在具有高Sm/Nd比值地幔源区特征的SNC陨石中,发现δ30Si值与147Sm/144Nd存在负相关关系。相比之下，147Sm/144Nd较低的富集碎片体与δ30Si值无相关性。
将SNC陨石数据与使用上述模型在岩浆洋结晶过程中计算出的熔体和堆晶成分进行比较，发现堆晶物在147Sm/144Nd和δ30Si值上的范围更比在SNC陨石中观察到的要多。于是作者通过在堆晶物中加入1%和10%捕获熔体的影响，因为在对岩浆洋结晶的研究中，人们主张，根据冷却和堆晶压实的相对速率，一些残余熔体可能会被困在堆晶物中，此时模型的预测与SNC样品数据更加一致。
图3 δ30Si值与147Sm/144Nd相关关系
最后的到了三个结论：
1) SNC陨石δ30Si值变化范围较窄，平均值为-0.46‰±0.07（2SD）。
2) 岩浆洋结晶模型表明，火星核幔边界不存在镁钙钛矿；具有高147Sm/144Nd地幔源区特征的SNC陨石δ30Si与147Sm/144Nd存在负相关关系；147Sm/144Nd比值较低的富集的辉玻无球粒陨石δ30Si与147Sm/144Nd无相关性。
3) 模拟结果显示在堆晶物中加入1%和10%捕获熔体，此时模型的预测与SNC自然样品数据更加一致。
你必须登录之后才可以参与讨论。