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

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西南研究所的西蒙·馬爾奇博士合作開展了一項新研究，發現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。根據模擬或模型，科學家發現撞擊驅動的地幔物質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，發現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。根據這些模擬，科學家們發現了撞擊驅動的地幔物質混合情景，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）在內的物質（對鐵具有很強親和力的金屬），這些物質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——包括 HSE——很快就會流到地核，”馬爾奇說道。與人合著了一篇《美國國家科學院院刊》（PNAS）論文，概述了這些新發現。 “這給我們帶來了一個問題：地球是如何獲得一些貴金屬的？我們開發了新的模擬，試圖解釋當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。 (a) 液態金屬會沉入當地產生的撞擊產生的巖漿海洋中，然后滲透到下面的部分熔融區域。 (b) 壓縮導致熔融區的金屬凝固并下沉。 (c) 然后，熱對流在較長的地質時間范圍內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生的巖漿海洋下的部分熔融區域如何阻止星子金屬墜入地核。

“為了實現這一目標，我們模擬了撞擊星子與地幔物質在三個流動階段的混合：固態硅酸鹽礦物、熔融硅酸鹽巖漿和液態金屬，”該論文的主要作者、耶魯大學的 Jun Korenaga 博士說。 “這種三相系統的快速動力學，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，形成局部液態巖漿海洋，其中重金屬沉入底部。當金屬到達下面的部分熔融區域時，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，因為來自地核的熱量導致固體地幔中的物質發生非常緩慢的蠕動，隨后產生的電流將熱量從內部帶到地球表面。

“地幔對流是指熱地幔物質上升和較冷物質下沉的過程，”Korenaga說。 “地幔幾乎完全是固體，盡管在很長的地質時間跨度中，它表現為一種延展性和高粘性流體，混合和重新分布地幔物質，包括數十億年前發生的大型碰撞中積累的 HSE。”

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