中國科大揭示地球氮元素起源與早期演化之謎

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院王文忠特任教授與國際學(xué)者合作，采用第一性原理計算方法，對類地行星在增生演化過程中氮同位素的分餾行為進行了深入研究。該研究揭示了早期星胚熔融揮發(fā)和晚期富揮發(fā)份物質(zhì)的增生兩個關(guān)鍵階段共同決定了硅酸鹽地球中氮元素的豐度，為理解地球揮發(fā)份的起源提供了新的認識，相關(guān)成果以“Early planetesimal differentiation and late accretion shaped Earth’s nitrogen budget”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

氮是地球上生命的基本組成元素之一，廣泛存在于眾多有機分子之中。盡管氮對生命至關(guān)重要，但與地球初始增生物質(zhì)相比，當(dāng)前硅酸鹽地球（包括大氣、地殼和地幔）的氮含量相對較低，大約只有2ppm（百萬分之二）。深入研究地球中氮的增生演化歷史對認識地球生命相關(guān)元素的起源及宜居性演變具有重要意義。

目前，學(xué)術(shù)界主要有兩種關(guān)于地球揮發(fā)份增生模型。第一種模型，即“后期增生模型（Late veneer）”，認為形成地球的初始增生物質(zhì)幾乎不含揮發(fā)份，包括氮，而硅酸鹽地球目前所具有的揮發(fā)份豐度主要是在增生晚期通過加入少量富含揮發(fā)份物質(zhì)（如碳質(zhì)球粒隕石）形成的。第二種模型，即“早期演化模型”，則認為地球的初始增生物質(zhì)原本就富含揮發(fā)份，地球所經(jīng)歷的一系列演化過程導(dǎo)致了目前硅酸鹽地球相對于初始組分虧損揮發(fā)份。

氮有兩種穩(wěn)定同位素，即14N和15N。氮同位素可用于示蹤地球揮發(fā)份在行星增生過程中的演化歷史，為研究類地行星揮發(fā)份的起源和演化提供了一種關(guān)鍵研究手段。然而，要有效利用這一工具，首先必須了解行星早期演化階段中氮同位素的分餾機制。王文忠特任教授采用第一性原理計算方法，研究了星云物質(zhì)凝聚形成星胚過程中的氮同位素分餾，包括熔融揮發(fā)和核幔分異兩個階段。研究發(fā)現(xiàn)，在早期太陽系星云中氫氣尚未完全散失的條件下，熔融揮發(fā)使得星胚富集14N，而核幔分異則導(dǎo)致15N在硅酸鹽熔體中富集。

結(jié)合第一性原理計算結(jié)果和實際觀測數(shù)據(jù)，研究團隊發(fā)現(xiàn)早期星胚演化過程并不足以解釋當(dāng)前硅酸鹽地球的氮同位素組成，必須在增生晚期加入一定量的富含揮發(fā)性成分的物質(zhì)，如碳質(zhì)球粒隕石，以解釋觀測到的氮同位素特征。因此，硅酸鹽地球中的氮豐度是早期星胚演化和晚期增生階段共同作用的結(jié)果。值得注意的是，盡管晚期增生對硅酸鹽地球的氮豐度具有顯著影響，但由于加入的富含揮發(fā)份物質(zhì)的質(zhì)量極低，其對硅酸鹽地球中其他揮發(fā)份豐度的貢獻十分有限。

論文第一和通訊作者為王文忠特任教授，合作者包括英國倫敦大學(xué)學(xué)院John Brodholt教授、美國卡耐基科學(xué)研究所Michael Walter研究員和田納西大學(xué)諾克斯維爾分校黃士春教授。

近年來，王文忠特任教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊專注于類地行星揮發(fā)份的起源及早期演化，運用多種同位素作為示蹤工具，結(jié)合第一性原理計算與觀測數(shù)據(jù)，揭示了地球在吸積初始階段便顯著增生了大量揮發(fā)性元素，星胚的演化過程對地球的揮發(fā)份儲庫進行了重塑，相關(guān)論文發(fā)表在《Nature Geoscience》和《Science Advances》（Wang et al., 2021, NG, 2023, SA）。該研究對現(xiàn)有理論模型進行了重要的補充，重新評估了“后期增生”對地球氮豐度的影響。這一系列工作揭示了“早期演化”和“后期增生”兩個階段對地球揮發(fā)份的綜合影響，為理解地球揮發(fā)性成分的演化歷史提供了新的視角。