铜同位素“钥匙”解码火星早期演化 | 科技前线

火星作为类地行星演化的“天然实验室”，其早期分异过程是行星科学研究的焦点。近期，中国科学院地球化学研究所科研团队，通过分析火星陨石的铜同位素组成，揭示了火星分异期间的硫化物分离机制，为探讨类地行星演化历史提供了新视角。

▲火星演化示意图

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“化学指纹”追踪行星分异

行星形成始于星子的吸积过程，这些星子的化学成分通常与球粒陨石相似。在行星演化早期，星子碰撞以及26Al放射性衰变等过程释放的能量，常引发全球熔融，形成岩浆洋。

在岩浆洋环境中，行星内部发生化学分异，该过程对类地行星的内部结构和长期演化起着决定性作用。其中，星球尺度的硫化物与硅酸盐地幔的分离，直接调控亲硫元素的迁移与分布，成为探究行星演化的重要环节之一。

铜因其强亲硫性，以及在硫化物与硅酸盐熔体间分配时产生的同位素分馏效应，成为示踪这一过程的有效指标。因此，剖析火星样品的铜同位素组成，能够揭示其早期历史。

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行星分异过程的“时间胶囊”

目前，火星陨石是人类唯一能够获取的火星样品，其记录了火星演化的关键信息。研究团队选取15块火星陨石进行全岩铜同位素测试，将整体硅酸盐火星的铜同位素组成进行约束，证实火星在演化过程中发生了显著的铜同位素分馏。

在行星熔融分异过程中，铁合金熔体（包含部分硫）会沉降形成核心。团队根据硫在金属与硅酸盐熔体之间的分配模型推测，金属核分离后，岩浆洋中的硫处于不饱和状态。随着岩浆洋冷却，残余熔体中的硫逐渐富集，最终达到饱和并析出硫化物熔体。由于密度较高，这些硫化物熔体向行星核心迁移，并携带亲硫元素（如铜）完成元素的再分配。

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火星地幔的“记忆”

团队通过量化模型来解释观测到的铜同位素组成，定量评估火星分异过程中硫化物的分离对火星地幔的硫和铜含量的影响，并选择中等挥发性元素钾为参考，剖析气化过程对铜含量及其同位素组成的影响。基于硫在硅酸盐熔体中的饱和浓度模型，团队确定了硫化物开始饱和的临界条件。

整合硫与铜的分配与分馏模型后，团队再现了火星分异过程中硫和铜的地球化学行为。模拟结果显示，当岩浆洋结晶度达到约89%时，硫化物熔体开始形成并向核心迁移。

铜同位素数据揭示了一个关键转折点：当残余岩浆洋深度降至约102千米至105千米时，温度降低导致硫化物熔体向下渗透受阻。此后形成的硫化物熔体无法抵达地核，被封存于火星地幔中，造成重的铜同位素在火星地幔富集。同时，由于火星地幔对流较弱，岩浆洋结晶分异导致的火星地幔不均一特征得以局部保留，未被对流作用完全均一化。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64331-z

来源：中国科学院地球化学研究所

责任编辑：侯茜