地球挥发分和生命的起源一直是地球科学研究的热点。C、N、S和H（水）是典型的挥发性元素，也是组成地球生命最重要的元素。但是，原始地球形成时因其形成位置在雪线（约3 AU）以里，理应亏损这些挥发性元素，现在的地球是从何处获得的挥发分？从地球演化模型看（图1），主要有三种可能：（1）构建原始地球的初始物质富含挥发分；（2）大撞击带入；（3）后增生加入。现有的实验结果和理论预测最有可能的是大撞击带入，但缺少更多的证据。美国莱斯大学Grewal及其合作者借助高温高压模拟实验和计算机模拟技术，认为地球挥发性元素来自大撞击，从而解释了硅酸盐地球异常的C/N比值，相关成果于1月23日发表在Science Advances上。
图1 地球早期演化示意图。（a）原始地球是一个足够大的天体，其核幔分异的时间可早至4500 Ma前；（b）～4500 Ma在地球核幔还未完成分异时，一个火星大小的天体撞击了地球，形成了现在的地月体系，该事件称为大撞击（Giant impact）；（c）在较短的时间内地球核幔完成分异，地核的ew约为-2，地幔的ew约为0.15；（d）～4500-3800 Ma，有不断的小行星撞击早期的地球，加入大量球粒陨石，该事件称为后增生（Late veneer）, 其主要证据是地壳样品的铂族元素异常；（e）后增生加入的物质导致地幔的ew降低至0，同时可能还存在未充分混匀的原始地幔（如格陵兰Isua的岩石）（Kleine, 2011）
硅酸盐地球的N、H同位素组成CI型碳质球粒陨石相似，说明CI型碳质球粒陨石可能是N、H挥发分的主要来源。前人设计的含C-N（无S）和C-S（无N）的金属硅酸盐体系高温高压配分实验表明，C在金属和硅酸盐的分配系数大于N和S，在地球核幔分异时C相对于N和S更多地进入地核，硅酸盐地球的C/N比值应该低于碳质球粒陨石（Li et al., 2016），但实际情况相反，硅酸盐地球的C/N比值约为40±8，明显高于碳质球粒陨石的C/N比值（16-24），这该如何解释？
与前人不同，本文设计了更符合实际情况的含C-N-S的金属硅酸盐高温高压配分实验，研究发现：当金属和硅酸盐分异时，在相同温压条件下，随S在金属熔体的含量增加，N在金属和硅酸盐熔体的分配系数的降低程度明显小于C（图2），说明通过含S（大于20 wt%）金属的核幔分异作用，硅酸盐地球的C/N比值可以升高，即硅酸盐地球C/N比值偏高是因为富S的核幔分异所致。
图2 N和C在金属和硅酸盐熔体的分配系数与金属熔体中S含量的相关性。（A）在相同温压条件下，N在金属和硅酸盐熔体的分配系数随S在金属熔体的含量无显著变化。（B）当金属熔体含N时，C在金属和硅酸盐熔体的分配系数随S在金属熔体的含量增加，存在一个数量级的降低（Grewal et al., 2019）
使用新的分配系数，文章对撞击体的性质和混合过程进行了计算机模拟，表明撞击体的大小与火星相当（图3）。此外，文章还对挥发分加入的时间进行了制约，弥补了此前最新的Grand Track模型（Walsh et al., 2011）在时间制约上的缺陷。综合以上证据表明，地球的C、N和S来自于火星大小的天体撞击原始地球、形成月球的大撞击事件。
图3 C-N-S通过大撞击加入原始地球的示意图与撞击体化学成分和大小的计算机模拟。（A）一个C饱和与富S核部的撞击体加入贫挥发分的原始地球的示意图；（B）撞击体金属与硅酸盐比值与全岩S含量与撞击体金属核S含量的相关性；（C）撞击体全岩C含量与全岩S含量及撞击体金属与硅酸盐比值的相关性，其他球粒陨石也投在图中作为对比；（D）撞击体的质量与火星大小相当（Grewal et al., 2019）
主要参考文献
Grewal D S, Dasgupta R, Sun C, et al. Delivery of carbon, nitrogen, and sulfur to the silicate Earth by a giant impact[J]. Science Advances, 2019, 5(1): eaau3669.（原文链接）.
Li Y, Dasgupta R, Tsuno K, et al. Carbon and sulfur budget of the silicate Earth explained by accretion of differentiated planetary embryos[J]. Nature Geoscience, 2016, 9(10): 781-785.（原文链接）
Kleine T. Geoscience: Earth's patchy late veneer[J]. Nature, 2011, 477(7363): 168-169.（原文链接）
Walsh K J, Morbidelli A, Raymond S N, et al. A low mass for Mars from Jupiter’s early gas-driven migration[J]. Nature, 2011, 475(7355): 206.（原文链接）
（撰稿：胡森/地星室）
