宇宙物质演化

发布网友发布时间：2022-07-22 03:32

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演化的宇宙物质一般为火成岩，可根据其热演化历史按照地球样品的分类方法，对其进行分类讨论。属于这一范畴的物质包括行星体、分化的小行星以及无球粒陨石。

3.1.2.1 月球

现在普遍认为，月球是早期地球与相当于火星大小的原行星碰撞后形成的。Wiechert et al.(2001)通过高精度测量月球样品中¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O的同位素变化，来测试是否存在由于碰撞而导致同位素的非均质性。不过，对三种氧同位素研究结果并未提供同位素非均质性的证据，并且显示原始地球和碰撞行星由具有相同组分的混合物形成。

根据早期的阿波罗计划，现在已知普通月球火成矿物的氧同位素组成非常恒定，不同产地的样品同位素变化极其微小(Onuma et al.，1970;Clayton et al.，1973b)。这一恒定性显示，月球内部的δ¹⁸O值应为+5.5‰左右，与地球地幔岩的值基本相同。共生矿物之间观察到的分馏显示结晶温度约为1000℃或更高，与观察到的地球玄武岩类似(Onuma et al.，1970)。与其他地球岩石进行对照发现，观察到的δ¹⁸O值范围非常小。例如，地球斜长石的氧同位素变化至少是所有月球岩石氧同位素变化的10倍(Taylor，1968)。这一差异可能主要与地球地壳的演化过程中的低温作用以及与地球上出现水有关。

月球岩石硫同位素地球化学最明显的特征是其δ³⁴S值的均匀性，以及与CDT标准的相似性。已发布的δ³⁴S值介于－2‰～+2.5‰之间。不过，Des Marais(1983)已注意到，由于实验室之间或分析过程之间的系统差异，实际范围很可能明显要小于4.5‰。极小的硫同位素组成差异支持了如下的观点:月球上非常低的氧逸度阻止了SO₂或硫酸盐的形成，因此消除了氧化物和还原硫物之间的交换反应。

Des Marias(1983)进一步指出，月球岩石中N和C的丰度极低，并给出了有力的证据:所有月球岩石都在样品处理过程中被复杂的碳化合物污染。在相对较低的燃烧温度下释放的碳显示出较低的¹³C值，而较高温度下释放的碳则具有较高的¹³C/¹²C比值。确定月球N和C的固有的同位素比时，另一个难题是宇宙射线粒子与月球表面相互作用导致的散裂效应(spallation effect)。这些散裂效应可导致¹³C和¹⁵N的增加，其增加程度取决于岩石暴露于宇宙射线中的时间。月球物质细颗粒表面重同位素富集很可能是受太阳风(solar wind)影响所致。由于缺少有关太阳风同位素组成的数据和捕获机制的不确定性，因此目前很难对其同位素变化做出详细解释。Kerridge(1983)证实，月球表面岩石捕获的氮由至少两种组分组成，这两种组分在加热实验过程中的释放特性和其同位素组成均存在差异:低温组分与太阳风中的氮相吻合，而高温组分则由太阳高能粒子组成。

3.1.2.2 火星

20世纪70年代晚期至80年代早期，研究者认识到一种被称之为SNC类陨石(shergottite，nakhlite，chassignite)为来自火星的样品(如McSween et al.，1979;Bogard ＆ Johnson，1983)。这一结论的依据如下:与其他陨石的结晶年代相比，这些样品的结晶时间更晚，并且捕获的挥发分组成与火星大气一致。

SNC类陨石的δ¹⁸O值平均为+4.3‰，明显低于地球－月球系统的δ¹⁸O值(+5.5‰)(Clayton ＆ Mayeda，1996;Franchi et al.，1999)。不同SNC类陨石之间较小的¹⁸O变化主要源自主要矿物的模式丰度(mod alabundance)不同。在三同位素图中，火星和地球之间的δ¹⁷O差异为0.3‰(图3.3)。在这一点上，应引起十分注意的是，HED类陨石(howardite，eucrite，diogenite)的氧同位素组成为3.3‰(Clayton ＆ Mayeda，1996)，这类陨石很可能反映出其物质来自小行星Vesta，其与地球的δ¹⁷O差异约为－0.3‰(图3.3)。类地行星之间的氧同位素组成差异反映了行星形成时原始物质之间的差异。

图3.3 月球、火星岩石以及可能为小行星Vesta碎片的HED类陨石δ¹⁷O－δ¹⁸O图(据Wiechert et al.，2003)

火星上的挥发分，尤其是水，能够揭示火星的地质和地球化学演化。与地球海水δD值(+4000‰)相比，现在火星大气的氢同位素值大约为5倍。这种富集被认为是由火星大气随时间的变化中，H先于D损失而导致的(Owen et al.，1988)。Wastson et al.(1994)针对SNC类陨石中角闪石、黑云母和磷灰石的离子微探针研究，以及Leshin et al.(1996)的逐步加热研究表明，有较大的δD值变化范围。研究发现，样品中的水具有两个来源:低温下大量释放的地球污染物和在高温下表现为强烈富集D的宇宙物质组分。Boctor et al.(2003)对所有分析过富D的含水矿物(以及名义上的无水矿物)进行了研究，发现均存在与地球组成更为类似较低的δD值。因此，他们认为不能用单一作用来解释D/H比存在较大的变化范围;并指出，δD值主要受三个来源和机理影响:①岩浆水成分;②撞击熔融物的脱挥发分作用;③来自地球物质的污染。

火星陨石中的氢和碳同位素特征为研究碳的来源提供了证据。Wright et al.(1990)和Romanek et al.(1994)区分出三种碳化合物:一种在约500℃以下的温度下被释放，大多来自地球污染物;第二种在400～700℃之间的加热实验或与酸反应过程中被释放，主要来自碳酸盐分解，能够将δ¹³C值增加至+40‰;第三种在高于700℃的温度下被释放，其δ¹³C值介于－20‰～－30‰之间，反映了火星上岩浆碳的同位素组成。

由于被认为能够揭示火星的过去(McKay et al.，1996)，因此，火星陨石中的碳酸盐受到了更多的关注。了解碳酸盐形成的条件对于解决相关争论非常关键。虽然对其进了大量化学和矿物学研究，但碳酸盐的形成环境尚不清楚。根据不同研究者对不同碳酸盐进行的研究，碳酸盐中的δ¹⁸O值变化非常大，其范围为+5‰～+25‰(Romanek et al.，1994;Valley et al.，1997;Leshin et al.，1998)。Nilesetal.(2005)的原地碳同位素分析得出了较高的δ¹³C值，分布范围在+30‰～+60‰之间，其来源于火星大气，并显示是由非生物过程形成的。

McKay et al.(1996)根据形态学进一步提出，碳酸盐内的微小硫化物颗粒可能是由细菌还原硫酸盐形成的。硫化物的δ³⁴S值范围为+2.0‰～+7.3‰(Greenwood et al.，1997)，与地球玄武岩的δ³⁴S值接近，可能并非由细菌还原硫酸盐而来。

因此，同位素结果并不支持火星上存在微生物活动一说;不过这是一个令人振奋的话题，显然争论还将继续进行。

Farquhar et al.(1998)和Farquhar ＆ Thiemens(2000)给出了有关火星碳酸盐(更低丰度的硫酸盐)非生物成因的进一步证据。通过测量δ¹⁷O和δ¹⁸O值，Farquhar et al.(1998)发现与硅酸盐相比，碳酸盐中存在¹⁷O异常。他们对此的解释是，由地球平流层臭氧经光化学作用分解，随后，大气氧同位素组成通过CO₂－H₂O交换转化为碳酸盐矿物。这一发现表明，碳酸盐(和硫酸盐)的产生是火星上大气层/风化层相互作用的结果。火星陨石中的硫同位素变化也被认定为是由类似相互作用产生的(Farquhar et al.，2000a)。SO₂和H₂S的光解实验能够产生可被检测的硫同位素组成，为火星上非生物成因¹⁸S分馏提供了形成机制。因此，较大的硫同位素分馏也不能证明火星上就有生物行为。

3.1.2.3 金星

1978年先驱者计划(Pioneer mission)的质谱仪测量了相对于CO₂的金星大气组成，CO₂是金星主要的大气成分。观察到的¹³C/¹²C和¹⁸O/¹⁶O比值接近于地球的值，而¹⁵N/¹⁴N比值则不超过地球的20%(Hoffman et al.，1979)。与金星来源和演化相关主要问题之一是“水的缺失”。现在的金星表面上没有液态水，而大气中水蒸气含量可能不超过20ppm(1ppm=1×10^－6)(Hoffman et al.，1979)。这意味着金星或者是由极度缺水的物质形成的，或者可能是氢逃逸进入太空而使原先的水消失了。Donahue et al.(1982)曾测出相对于地球的100倍的D富集，这与脱气过程相一致。然而，这一空前的脱气过程是难以想象的。