地球の不均一な揮発性物質の降着を示す窒素同位体の証拠

Nature Communications volume 13、記事番号: 4769 (2022) この記事を引用

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惑星内の主要な揮発性物質である窒素、炭素、水素、硫黄の起源は、惑星の降着、分化、居住可能性を理解するために重要です。しかし、地球の主要な揮発性物質の起源に関する詳細なプロセスは未解決のままです。窒素は地球化学的および宇宙化学的貯留層間で大きな同位体分別を示しており、これは地球の揮発性降着プロセスに厳しい制約を課すために使用される可能性があります。今回我々は、惑星核とケイ酸塩マントルの間のN分配と同位体分別を実験的に決定する。我々は、コア/マントルのN同位体分別係数は、-4パーセントから+10パーセントの範囲で、酸素フガシティによって強く制御されており、コア/マントルのN分配は酸素フガシティ、温度、圧力の多関数であることを示した。、核とマントルの組成。惑星降着とコアマントル分化モデルに窒素分配と同位体分別を適用した後、地球の地殻と大気、ケイ酸塩マントル、および海洋島玄武岩のマントル源の窒素分配と同位体組成が最適であることがわかりました。これは、月を形成する巨大衝突の前および最中に、地球の初期のエンスタタイトコンドライト状衝突体の降着、その後の酸化が進む衝突体と最小限の CI コンドライト状物質の降着によって説明されます。このような不均一な降着プロセスは、バルクケイ酸塩地球における炭素、水素、硫黄の収支を説明することもできます。したがって、地球は主な降着段階中に主要な揮発性物質を不均一に取得した可能性があります。

力学モデル 1,2 と観測証拠 3,4 の両方が、揮発性物質が豊富な小惑星による太陽系内部への揮発性物質の配送を示しています。しかし、地球の主要な揮発性物質（N-C-H-S）の降着メカニズムは未解決のままです5、6、7、8。 CI コンドライトのような S、Se、および Te の比率によって証明されるように、地球は核形成が停止した後、未分化の「後期単板」の形で炭素質コンドライト (CI タイプ) のような物質から揮発性物質を降着したと主張する人もいます9,10。バルクケイ酸塩地球 (BSE) 中の Se 同位体 11,12。しかし、地球は完全または後期の降着段階で酸化コンドライト物質から揮発性物質を降着させ、揮発性物質はマグマオーシャンでの地球の核形成に関与していると主張する人もいます2,13,14,15,16。いくつかのモデルはまた、地球が月を形成する衝突体のような単一の巨大衝突体から揮発性物質を取得したと提案しました17、18、19。これらの以前のモデルの一部 7、16、17、18 は BSE における主要な揮発性物質の収支と比率を説明しようと試みたが、そのようなモデルが BSE における主要な揮発性物質の観察された同位体と一致するかどうかは依然として不明である。

N 同位体 (14N および 15N) は、図 1 にまとめられているように、地球化学的および宇宙化学的貯留層間で大きく分別されるため、地球型惑星に降着した揮発性物質の発生源を追跡する際の優れた代用手段となります。繊維状ダイヤモンドと中央海嶺玄武岩から推定される地球のマントル（δ15N = [(15N/14N)サンプル/(15N/14N)標準 – 1)] × 1000、標準は大気中のN2)は、主に-の間にあります。 10 パーセントと 0 パーセントであり、グローバルに均一な値の -5 パーセントに向かって収束します (参考文献 22)。地球深部マントルからのダイヤモンドでは、-20 および -40 パーセントまでのさらに負のδ15 N 値が観察され、これは残された原始 N であると解釈され、地球の N のエンスタタイトコンドライト (EC) 起源を主張するために使用されました 23,24,25。、EC δ15N が -45 パーセントから -15 パーセントであるためです (参考文献 26)。地球の表面 (地殻 + 大気) の平均 δ15N は約 +3 パーセント (参考文献 22、27) であり、地球のマントルと表面の間のδ15N の不均衡は長年の未解決のパズルを形成しています 22。海洋島玄武岩 (OIB) の δ15N は全体的に正 (-2 パーセントから +6 パーセント) であり、これは通常、OIB マントル源のリサイクルされた堆積物に起因すると解釈されていました 28,29。しかし、深い窒素の沈み込みは非効率であるため、このような正のδ15N は原始的な特徴である可能性が高くなります 30。始生代のほとんどのダイヤモンド個体群では、マントル δ15N が -5 パーセントと定義されています (参考文献 31)。したがって、地球のさまざまな貯留層の N 同位体の特徴は始生代より前に確立されていた可能性があります。

IW), N dissolves physically and mainly as N2; however, the other N-species such as CN-, NH3 and/or N3- dissolve chemically in reduced silicate melt and become dominant at fO2 IW−2 could be caused by the much stronger triple bond of N2 in silicate melt than the Fe–N bond in metallic melt, because heavy isotopes tend to be concentrated in species with strong bonds44. In contrast, the positive ∆15 Nmetal-silicate at fO2 Si–N (470 kJ/mol) >Fe–N (398 kJ/mol) >N–H (390 kJ/mol), which supports our explanations for the ∆15 Nmetal-silicate variation. However, the relative bond energy of Fe–N and Si–N in metallic melt and N–H and N3-–cation in silicate melt at the present experimental P–T conditions cannot be evaluated because of the lack of relevant data./p>24 h before loading into graphite capsules, zirconia-lined Pt95Rh05 capsules, or graphite-lined Pt95Rh05 capsules for high-pressure experiments./p>IW−1), the main C species is carbonate89. For C solubility in silicate melt (SC-silicate) at fO2 < IW−1, we used the model from ref. 89 as:/p>IW−1, we used the model from ref. 90, which is more valid for peridotitic melt. For S solubility in silicate melt (SS-silicate), we used a recent model of ref. 77:/p>