月球大小的撞击：地幔中黄金和铂金背后的秘密？

2023-10-13 06:47:36 来源：cnBeta

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西南研究所的西蒙·马尔奇博士合作开展了一项新研究，发现了第一个地球物理上合理的场景，可以解释地幔中某些贵金属（包括金和铂）的丰富程度。根据模拟或模型，科学家发现撞击驱动的地幔物质混合情景可以防止金属完全沉入地核。

西南研究所的西蒙·马尔奇博士合作开展了一项新研究，发现了第一个地球物理上合理的场景，可以解释地幔中某些贵金属（包括金和铂）的丰富程度。根据这些模拟，科学家们发现了撞击驱动的地幔物质混合情景，可以防止金属完全沉入地核。图片来源：西南研究院

在其演化的早期，大约 45 亿年前，地球与一颗火星大小的行星发生了撞击，月球可能就是由撞击到地球轨道的圆盘上的碎片形成的。接下来是长时间的轰击，即所谓的“晚期吸积”，当时像月球一样大的星子撞击地球，释放出包括高度“亲铁”元素（HSE）在内的物质（对铁具有很强亲和力的金属），这些物质被整合到年轻的地球中。

“之前对穿透地幔的撞击的模拟表明，星子金属核心中只有一小部分可以被地幔同化，而这些金属中的大多数——包括 HSE——很快就会流到地核，”马尔奇说道。与人合着了一篇《美国国家科学院院刊》（PNAS）论文，概述了这些新发现。 “这给我们带来了一个问题：地球是如何获得一些贵金属的？我们开发了新的模拟，试图解释当今地幔中的金属和岩石材料的混合。”

该示意图说明了对地幔中存在丰富的 HSE 金属的最地球物理学上合理的解释。在长时间的轰击中，撞击器会撞击地球并输送物质。 (a) 液态金属会沉入当地产生的撞击产生的岩浆海洋中，然后渗透到下面的部分熔融区域。 (b) 压缩导致熔融区的金属凝固并下沉。 (c) 然后，热对流在较长的地质时间范围内混合并重新分布金属浸渍的地幔成分。图片来源：西南研究院

地幔中 HSE 的相对丰度表明，HSE 是在地核形成后通过撞击传递的。然而，事实证明，迄今为止，将这些元素保留在地幔中很难建模。新的模拟考虑了局部撞击产生的岩浆海洋下的部分熔融区域如何阻止星子金属坠入地核。

“为了实现这一目标，我们模拟了撞击星子与地幔物质在三个流动阶段的混合：固态硅酸盐矿物、熔融硅酸盐岩浆和液态金属，”该论文的主要作者、耶鲁大学的 Jun Korenaga 博士说。 “这种三相系统的快速动力学，再加上地幔中对流提供的长期混合，使得来自星子的 HSE 能够保留在地幔中。”

在这种情况下，撞击器会撞击地球，形成局部液态岩浆海洋，其中重金属沉入底部。当金属到达下面的部分熔融区域时，金属会迅速渗透到熔体中，然后慢慢沉入地幔底部。在此过程中，熔化的地幔凝固，捕获金属。这时对流开始出现，因为来自地核的热量导致固体地幔中的物质发生非常缓慢的蠕动，随后产生的电流将热量从内部带到地球表面。

“地幔对流是指热地幔物质上升和较冷物质下沉的过程，”Korenaga说。 “地幔几乎完全是固体，尽管在很长的地质时间跨度中，它表现为一种延展性和高粘性流体，混合和重新分布地幔物质，包括数十亿年前发生的大型碰撞中积累的 HSE。”

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