铁同位素一直以来被当做研究行星起源和演化的重要示踪工具。地球玄武岩与球粒陨石之间的铁同位素差异被认为可能与地球的核幔分异过程有关，然而核幔分异对铁同位素分馏的影响尚不明确。由北京高压科学中心林俊孚研究员及其学生杨宏参与的国际研究小组进行的高压实验表明，硅酸盐和金属铁在核幔分异条件下的铁同位素分馏程度接近于0。这项工作排除了核幔分异对铁同位素分馏的影响，对确定地球整体的铁同位素组成有着重要意义。这一结果于2月20号发表于《自然—通讯》。

组成地球的材料来源是什么？这个问题是解决地球起源之谜的关键，因此也是众多地球科学家研究的热点。太阳光谱的观测和陨石化学成分的研究表明，地球和球粒陨石有着共同的物质来源，因此地球和球粒陨石应当有着高度一致的化学组成和同位素特征。然而，地球表面玄武岩的铁同位素组成与球粒陨石并不一致，这反映出地球内部的某种活动引起了铁同位素分馏。之前有研究认为这种不同来源于金属地核和硅酸盐地幔之间的铁同位素分馏。

“稳定同位素的组成对于地球来说，是类似于指纹一样的东西，可以保存最初来源物质的特征。有时指纹也会发生变化，这是由于微小的质量差别，不同的同位素在某种温压条件下发生了差异分配，称为同位素分馏。换句话说，地球和球粒陨石间的铁同位素分馏可能揭示了地球形成过程中所经历的某个过程，反映了地球的形成历史。”论文共同作者芝加哥大学的博士研究生胡敬雅解释道。

地核和地幔之间的分离发生在地球形成早期，剧烈的撞击使得大部分地幔处于岩浆状态，液态的金属铁得以和地幔发生充分的同位素交换。密度大的金属铁逐渐下沉形成地核并将这种同位素组成保存下来。

创造类似的环境来模拟研究这个过程并不容易。研究小组成员将几十微米大小的硅酸盐/金属铁样品放置在两颗金刚石之间，通过金刚石的挤压产生相当于地球深部的压力。测量这样微小的样品还需要聚焦的高能X射线。通过与美国阿贡国家实验室先进光子源的合作，研究小组完成了高压下铁原子震动力常数的测量。不同样品力常数的差异，可以直接反应它们之间同位素分馏的尺度。实验结果表明，硅酸盐和金属铁在高压下的铁同位素分馏是接近于0的。

“高压下金属铁和硅酸盐中铁原子力常数的接近说明它们之间的铁同位素分馏有限，这意味着地幔的铁同位素组成可以作为地球物质的代表，这为宇宙化学研究提供了一个地球物质的基线。我们的结果还排除了核幔分异作为玄武岩重铁同位素组成的原因。目前看来，更可能的原因是地幔熔融产生岩浆过程中的分馏。 ”本文共同通讯作者Nicolas Dauphas提道。

“我们还测量了铁-硅-镍，铁-硫等合金的力常数，结果发现它们与纯铁差别不大，这说明如果这些元素存在于地核中，也不太可能改变核幔之间的铁同位素差别。 我们甚至可以推断，核幔分异的过程将不会对硅，铬等其他元素产生明显的分馏。”高科中心的林俊孚研究员补充道。

这项工作为矿物物理学家和地球化学家的合作提供了一个范例，一个新的检视地球深部化学组成的窗口已经打开。（来源：科学网）