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月球大小的撞擊：地幔中黃金和鉑金背后的秘密？

2023-10-13 06:47:36 來源：cnBeta

(資料圖片)

西南研究所的西蒙·馬爾奇博士合作開展了一項新研究，發(fā)現(xiàn)了第一個地球物理上合理的場景，可以解釋地幔中某些貴金屬（包括金和鉑）的豐富程度。根據(jù)模擬或模型，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)撞擊驅(qū)動的地幔物質(zhì)混合情景可以防止金屬完全沉入地核。

西南研究所的西蒙·馬爾奇博士合作開展了一項新研究，發(fā)現(xiàn)了第一個地球物理上合理的場景，可以解釋地幔中某些貴金屬（包括金和鉑）的豐富程度。根據(jù)這些模擬，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了撞擊驅(qū)動的地幔物質(zhì)混合情景，可以防止金屬完全沉入地核。圖片來源：西南研究院

在其演化的早期，大約 45 億年前，地球與一顆火星大小的行星發(fā)生了撞擊，月球可能就是由撞擊到地球軌道的圓盤上的碎片形成的。接下來是長時間的轟擊，即所謂的“晚期吸積”，當(dāng)時像月球一樣大的星子撞擊地球，釋放出包括高度“親鐵”元素（HSE）在內(nèi)的物質(zhì)（對鐵具有很強親和力的金屬），這些物質(zhì)被整合到年輕的地球中。

“之前對穿透地幔的撞擊的模擬表明，星子金屬核心中只有一小部分可以被地幔同化，而這些金屬中的大多數(shù)——包括 HSE——很快就會流到地核，”馬爾奇說道。與人合著了一篇《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）論文，概述了這些新發(fā)現(xiàn)。 “這給我們帶來了一個問題：地球是如何獲得一些貴金屬的？我們開發(fā)了新的模擬，試圖解釋當(dāng)今地幔中的金屬和巖石材料的混合。”

該示意圖說明了對地幔中存在豐富的 HSE 金屬的最地球物理學(xué)上合理的解釋。在長時間的轟擊中，撞擊器會撞擊地球并輸送物質(zhì)。 (a) 液態(tài)金屬會沉入當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的撞擊產(chǎn)生的巖漿海洋中，然后滲透到下面的部分熔融區(qū)域。 (b) 壓縮導(dǎo)致熔融區(qū)的金屬凝固并下沉。 (c) 然后，熱對流在較長的地質(zhì)時間范圍內(nèi)混合并重新分布金屬浸漬的地幔成分。圖片來源：西南研究院

地幔中 HSE 的相對豐度表明，HSE 是在地核形成后通過撞擊傳遞的。然而，事實證明，迄今為止，將這些元素保留在地幔中很難建模。新的模擬考慮了局部撞擊產(chǎn)生的巖漿海洋下的部分熔融區(qū)域如何阻止星子金屬墜入地核。

“為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們模擬了撞擊星子與地幔物質(zhì)在三個流動階段的混合：固態(tài)硅酸鹽礦物、熔融硅酸鹽巖漿和液態(tài)金屬，”該論文的主要作者、耶魯大學(xué)的 Jun Korenaga 博士說。 “這種三相系統(tǒng)的快速動力學(xué)，再加上地幔中對流提供的長期混合，使得來自星子的 HSE 能夠保留在地幔中。”

在這種情況下，撞擊器會撞擊地球，形成局部液態(tài)巖漿海洋，其中重金屬沉入底部。當(dāng)金屬到達下面的部分熔融區(qū)域時，金屬會迅速滲透到熔體中，然后慢慢沉入地幔底部。在此過程中，熔化的地幔凝固，捕獲金屬。這時對流開始出現(xiàn)，因為來自地核的熱量導(dǎo)致固體地幔中的物質(zhì)發(fā)生非常緩慢的蠕動，隨后產(chǎn)生的電流將熱量從內(nèi)部帶到地球表面。

“地幔對流是指熱地幔物質(zhì)上升和較冷物質(zhì)下沉的過程，”Korenaga說。 “地幔幾乎完全是固體，盡管在很長的地質(zhì)時間跨度中，它表現(xiàn)為一種延展性和高粘性流體，混合和重新分布地幔物質(zhì)，包括數(shù)十億年前發(fā)生的大型碰撞中積累的 HSE。”

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