大碰撞假說認為，月球形成于一個火星大小的行星和原始地球在45億年前發生的大碰撞。碰撞後的物質飛濺到太空，在月球軌道聚集增生，形成炙熱熔融的月球岩漿洋，之後從中分異出月核、月幔和月殼的結構。大碰撞事件深刻地改變了地月系統的行星環境和化學組成，是地月系統經曆的最重要行星事件。一般認為，大碰撞時的揮發作用會改變月球的元素和同位素組成，但是對于月球圈層分異、特别是月核形成過程還知之甚少，主要原因是缺乏對元素和同位素地球化學行為的了解。

銅（Cu）和鋅（Zn）既是揮發性元素（可以制約碰撞過程中的揮發效應），又是親鐵-親硫元素（可以制約核幔分異過程），因此可以用來探讨月核分異對于月球化學組成的影響。經過多年努力，中國科大地球和空間科學學院教授黃方團隊建立了高精度的Cu-Zn同位素分析方法，在此基礎上和英國牛津大學博士Jon Wade以及愛爾蘭University College Cork教授Kate Kiseeva合作，通過高溫高壓實驗岩石學，精确地測定了矽酸鹽熔體和金屬熔體之間的Cu和Zn同位素平衡分餾系數，制約了月核的成分和形成過程。

研究發現，含硫的金屬熔體相對矽酸鹽熔體顯著富集輕的Cu和Zn同位素，而不含硫的金屬熔體和矽酸鹽熔體之間的分餾較小。這個結果很好地解釋了地球和月球之間金屬穩定同位素組成的差别。月、地之間較大的Zn同位素分餾明顯反映了揮發過程的影響；雖然Cu的揮發性比K和Ga要弱，但是月、地之間的Cu同位素組成差異要比K和Ga同位素要大。這可能是因為月球的Cu同位素組成不僅受到大碰撞時揮發作用的控制，也會受到月核形成時含硫金屬熔體從月球岩漿洋分離的影響；而K和Ga不進入月核，因此不受月核形成的影響。這一工作暗示月核中可能還有一定量的S，這對于理解月球的揮發分組成、月核冷凝以及月球磁場的維持、地月之間晚期加積都有重要意義。

該論文以The effect of core segregation on the Cu and Zn isotope composition of the silicate Moon 為題，近日發表于國際地球化學刊物Geochemical Perspective Letters上（Geochem. Persp. Let. 12, 12–17）。地球和空間科學學院博士畢業生夏瑩為第一作者，Kate Kiseeva為第二作者，黃方和Jon Wade為共同通訊作者。該工作得到中科院先導專項B以及國家自然科學基金委的資助。

圖.利用Cu、Zn同位素研究月球揮發和月核形成過程取得進展

來源：中國科學院中國科學技術大學

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