作者：haibaraemily
編輯：明天
在太陽系最初形成的時候，地球還沒有成型，還保留著太陽系最原始的元素構成。但後來，因為種種原因，地球上的巖石成分就發生瞭巨大的變化。9 月 28 日《自然》（Nature）雜志的封面故事，就用兩篇方法迥異的研究，描述瞭一個也許曾經發生過的過程——或許，是地球早期的熔融和氣化作用，" 蒸發 " 掉瞭一部分原始的成分。
行星熱分異和球粒隕石
行星最初形成的時候，會在放射性元素衰減和外界密集的撞擊之下被不斷地加熱。在這個過程中，較大的巖質行星接受的熱量足以熔融自身，" 分離 " 行星內部的物質。結果是，較重的元素（比如鐵和鎳）向中心 " 下沉 " 形成內核；相對較輕的矽酸鹽成分就 " 浮 " 上來形成原始幔層，最終形成從內到外密度逐漸變小的 " 核幔殼 " 分層結構。這就是行星的熱分異。
行星熱分異過程。制圖：haibaraemily
內太陽系的四個類地行星：水星、金星、地球、火星，都是經歷過熱分異、外層以矽酸鹽成分為主的巖質行星。當然，實際的分層情況更加復雜，遠不止簡單的核幔殼三層。對地球而言，通常我們把金屬地核以外的矽酸鹽質地層統稱為全矽酸鹽地球（bulk silicate earth，BSE）。很顯然，經歷瞭熱分異的矽酸鹽外層的成分比例會和行星形成之初近乎勻質時的成分有變化。可是，到底產生瞭怎樣的變化？又能否得知行星形成之初近乎均質的成分比例呢？那就多虧瞭隕石這個來自太陽系的饋贈瞭。比如要說的這種隕石——原始球粒隕石。
地球上發現的隕石可以按成分大致分為石隕石、石鐵隕石和鐵隕石三類。球粒隕石就是石隕石的一種，也是地球上發現的隕石中數目最龐大的一類隕石。在太陽系形成初期，包含球粒的一些碎塊，因為更大質量碎塊的引力擾動或撞擊，運行到瞭太陽系外側，迅速降溫，所以內部沒來及發生熱分異，因此完好的保留瞭太陽系早期的一些信息。也正因為這樣，科學傢常常把球粒隕石的成分作為行星形成之初的成分，也就是原始太陽系的成分。
隕石分類，改編自參考文獻 [ 1 ] 。球粒隕石的圖片來源：wikiwand.com
《自然》封面的兩個新研究說瞭些什麼呢？
這兩篇論文各自通過對比一類地球的巖石成分和球粒隕石的差異，進而分別通過實驗和模擬，提出瞭解釋這一差異的可能原因。下面花開二朵，各表一枝。
揮發性微量元素的差異
地球矽酸鹽質外層中一些中等易揮發的微量成分（如鉛、鋅、銦、鋁等）的含量明顯低於 CI 類碳質球粒隕石。這個現象有一部分可以通過熱分異成核的過程來解釋：親鐵的元素和鐵鎳一起被帶入瞭地核，所以在矽酸鹽外層中的含量自然就低瞭。可是牛津大學地球科學系的 Norris 和 Wood 通過進一步對比地球矽酸鹽質外層和 CV 類碳質球粒隕石（未經歷熱分異，但含有的揮發性元素含量也低於 CI 類碳質球粒隕石）中多種中等易揮發微量成分的含量，發現，問題來瞭，熱分異成核的理論並不能解釋所有低含量的較易揮發成分 [ 2 ] 。例如：銅和銀的親金屬性差不多，可銅在矽酸鹽質外層中的含量明顯高於銀；銦比鋅更親鐵，但兩者在矽酸鹽層的含量卻差不多。
地球矽酸鹽質外層和 CV 類碳質球粒隕石中銀、鉍、鎘、鉻、銅、鎵、鍺、銦、鉛、銻、錫、鉈、鉛在 10-4 個大氣壓和 50% 凝聚時的溫度下相對於 CI 類碳質球粒隕石的含量，無色方框中的元素值是其他研究的結果。地球矽酸鹽質外層中的各種中等易揮發的微量成分含量顯著低於 CV 類碳質球粒隕石，這一總體趨勢可能是熱分異成核作用引起的。值得註意的是，銦比鋅更親鐵和親銅，且凝聚溫度更低，但兩者的含量確實差不多的；銦比鉈更親鐵親銅，凝聚溫度也差不多，但含量卻比後者高得多；銅和銀的親鐵金屬差不多，冷凝溫度也差不多，可銅的含量明顯高於銀。改編自參考文獻 [ 2 ] | 翻譯：haibaraemily
鎂同位素比例的差異
英國佈裡斯托大學地球科學系的 Hin 和他的同事們則把註意力放在瞭矽酸鹽層中的主要成分之一：鎂的兩種同位素上 [ 3 ] 。他們通過對比地球、火星、經歷瞭熱分異的隕石，和原始球粒隕石中 25Mg/24Mg 的比例，發現前三者的 25Mg/24Mg 的比例要顯著高於原始球粒隕石。這一現象也同樣很難通過熱分異成核過程來解釋——畢竟鎂元素本身並不那麼親鐵，何況 " 重 " 元素更容易下沉的話，前三者的 25Mg/24Mg 比例應該更低才對。
地球、火星，以及經歷瞭熱分異的隕石的 25Mg/24Mg 的比例顯著高於原始球粒隕石。圖片來源：參考文獻 [ 3 ] | 翻譯：haibaraemily
於是，兩篇論文同時指向瞭另一種可能：早期地球在部分熔融階段的氣化過程中，一些較易揮發的成分，以及較輕的同位素成分被優先消耗瞭。
猜想有瞭，如何證明自己？
兩篇文章采用瞭完全不同的思路和方法。
Norris 和 Wood 用實驗模擬瞭各種混合組分的較易揮發元素，在不同的氧氣逸度、加熱時間、加熱溫度下的含量，對比瞭不同元素在早期地球部分熔融狀態時的揮發性強弱，結果和目前的成分非常吻合（例如，銅的揮發性小於銀，所以最後矽酸鹽層的含量要比銀高）
不同元素的揮發性強弱和含量的關系，元素含量以 CI 碳質球粒隕石中的含量為單位量取相對值。這一結果和目前矽酸鹽層的成分比例吻合度很高，例如：銦、銅和鋅有相似的揮發強度，所以它們在矽酸鹽層中的含量也相近；而錫的揮發性強於鋅，所以含量也低於鋅。改編自參考文獻 [ 2 ]
而 Hin 和同事們改進瞭揮發損失模型，通過模擬計算，發現早期地球在經歷瞭部分熔融階段氣化過程的損失之後，25Mg/24Mg 比例與現在的比例完全相符。因此認為，目前類地行星矽酸鹽層中的鎂、矽和鐵的同位素比例，很可能都是行星吸積過程中熔融揮發的自然結果。
撞擊？大撞擊？
兩篇論文都認為，如果這一猜想成立，那麼這個部分熔融揮發的過程應當發生於地球形成的早期。外界天體的撞擊很可能是促進地球熔融氣化和揮發的主要原因。Norris 和 Wood 甚至認為，大撞擊假說中，可能形成月球的那次撞擊就完全可以提供足夠地球部分熔融揮發的熱量。
這一結論對我們更好地理解地球、火星等類地行星的形成過程有重要啟示：可能正是地球形成早期外界天體的猛烈撞擊引起的元素揮發，塑造瞭地球和其他類地行星如今矽酸鹽外層的成分比例。或者反過來說，目前類地行星的成分比例可以為我們追溯行星形成早期的撞擊歷史提供重要線索。
想象中的形成月球的大撞擊圖景。大撞擊假說認為，約 45 億年前，一個火星大小的天體撞擊地球，其碎片形成瞭後來的月球。而這次大撞擊產生的熱量也使得地球部分熔融，形成瞭全球性的 " 巖漿海洋 "，並發生熱分異。雖然月球的起源一直有捕獲說和撞擊說兩種主流猜想，但近年來越來越多的證據使得大撞擊假說逐漸成為月球起源最受青睞的假說。圖片來源：nasa.gov
