지구의 이종 휘발성 물질 부착에 대한 질소 동위원소 증거

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4769(2022) 이 기사 인용

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행성의 주요 휘발성 물질인 질소, 탄소, 수소 및 황의 기원은 행성의 강착, 분화 및 거주 가능성을 이해하는 데 중요합니다. 그러나 지구의 주요 휘발성 물질의 기원에 대한 자세한 과정은 아직 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다. 질소는 지구화학적 저장소와 우주화학적 저장소 사이에서 큰 동위원소 분율을 보여주며, 이는 지구의 휘발성 강착 과정을 엄격하게 제한하는 데 사용될 수 있습니다. 여기서 우리는 행성 핵과 규산염 맨틀 사이의 N-분할과 동위원소 분별을 실험적으로 결정합니다. 우리는 -4‰에서 +10‰ 범위의 핵/맨틀 N-동위원소 분류 인자가 산소 퍼지에 의해 강력하게 제어되며, 핵/맨틀 N-분할은 산소 퍼지, 온도, 압력의 다기능임을 보여줍니다. , 그리고 핵과 맨틀의 구성. 행성 강착 및 핵-맨틀 분화 모델에 N-분할 및 동위원소 분류를 적용한 후, 우리는 지각과 대기, 규산염 맨틀 및 해양 섬 현무암의 맨틀 공급원의 N-예산 및 동위원소 구성이 가장 우수하다는 것을 발견했습니다. 이는 지구에서 엔스타타이트 콘드라이트 같은 충돌체의 초기 강착과 달 형성 거대 충돌 전과 도중에 점점 더 산화된 충돌체와 최소한의 CI 콘드라이트 같은 물질의 강착으로 설명됩니다. 이러한 이질적인 강착 과정은 벌크 규산염 지구의 탄소-수소-황 수지를 설명할 수도 있습니다. 따라서 지구는 주요 강착 단계에서 주요 휘발성 물질을 이질적으로 획득했을 수 있습니다.

동적 모델1,2과 관측 증거3,4 모두 휘발성 물질이 풍부한 소행성에 의해 태양계 내부로 휘발성 물질이 전달되는 것을 나타냅니다. 그러나 지구의 주요 휘발성 물질(N–C–H–S)의 부착 메커니즘은 아직 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다5,6,7,8. 일부에서는 지구가 핵 형성이 중단된 후 미분화된 "후기 베니어판"의 형태로 탄소질 콘드라이트(CI 유형) 유사 물질로부터 휘발성 물질을 부착했다고 주장했는데, 이는 CI 콘드라이트 유사 S, Se 및 Te 비율에 의해 입증되었습니다. 및 벌크 규산염 지구(BSE)11,12에 있는 Se 동위원소. 그러나 일부에서는 지구가 완전 또는 후기 부착 단계에서 산화된 콘드리암 물질로부터 휘발성 물질을 부착했으며, 이 때 휘발성 물질은 마그마 바다에서 지구의 핵심 형성에 참여했다고 주장했습니다2,13,14,15,16. 일부 모델은 또한 지구가 달 형성 충돌기와 같은 단일 거대 충돌기로부터 휘발성 물질을 획득했다고 제안했습니다. 이전 모델 중 일부7,16,17,18가 BSE의 주요 휘발성 물질 수지와 비율을 설명하려고 시도했지만, 그러한 모델이 BSE에서 관찰된 주요 휘발성 물질의 동위원소와 일치하는지 여부는 아직 알려지지 않았습니다.

N-동위원소(14N 및 15N)는 그림 1에 요약된 바와 같이 지구화학 및 우주화학 저장소 사이의 큰 분류로 인해 지구 행성에 부착된 휘발성 물질의 소스를 추적하는 데 탁월한 프록시입니다4,5,20,21. 섬유질 다이아몬드와 중앙해령 현무암으로부터 유추되는 지구 맨틀(δ15N = [(15N/14N)샘플/(15N/14N)표준 - 1)] × 1000, 여기서 표준은 대기 N2)은 주로 - 10‰ 및 0‰이며 전 세계적으로 균일한 값인 -5‰로 수렴합니다(참조 22). -20‰ 및 -40‰까지 더 많은 음의 δ15N 값이 지구의 깊은 맨틀에서 나온 다이아몬드에서 관찰되었으며, 이는 잔류 원시 N으로 해석되어 엔스타타이트 콘드라이트(EC)가 지구 N의 기원임을 주장하는 데 사용되었습니다. , EC δ15N이 -45‰ ~ -15‰이기 때문입니다(참조 26). 지구 표면(지각 + 대기)의 평균 δ15N은 약 +3‰(참조 22,27)이며, 지구 맨틀과 표면 사이의 δ15N 불균형은 오랫동안 풀리지 않은 퍼즐을 형성합니다22. 해양 섬 현무암(OIB)의 δ15N은 전반적으로 양수(-2‰ ~ +6‰)이며, 이는 일반적으로 OIB 맨틀 소스의 재활용 퇴적물에서 비롯된 것으로 해석되었습니다28,29. 그러나 이러한 양의 δ15N은 깊은 N-섭입의 비효율성으로 인해 원시 특징일 가능성이 더 높습니다. 시생 시대의 대부분의 다이아몬드 개체군은 또한 맨틀 δ15N을 -5‰로 정의합니다(참조 31). 따라서 지구의 다양한 저장소에 대한 N-동위원소 특성은 시생 시대 이전에 확립되었을 수 있습니다.

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>