顽火辉石球粒陨石高温高压熔融实验对地球初始成分的约束

This proposed project will focus on experimental studies about the building block of the Earth and other terrestrial planets. Experiments (partial melting at high pressure and high temperatures) on EH3 enstatite chondrite (Sahara 97072 meteorite and synthetic samples) will be carried on with high-pressure devices, including piston cylinder, multi-anvil press and diamond anvil cell. Phase equilibrium, element partitioning, and composition of solid and liquid phases will be discussed at depth with observation from SEM, and chemical composition analysis from EPMA and ICP-Ms. The timing and pressure and temperature conditions that the building block of the Earth lost its volatiles (S) will be discussed by doing partial melting experiments at different timescales. The possible effect of the lost of sulfur on partitioning of siderophile elements (Ni, Co, W) between silicate liquid and metallic liquid will be discussed in detail to constrain the possible existence of light elements (S, Si, O, and C) in the proto-Earth’s core. The knowledge about melting of enstatite chondrite from this project will be helpful to outline a comprehend scenario of the formation and early evolution of the terrestrial planets.

本项目主要通过高温高压实验，结合矿物学地球化学分析对构建原始地球及其他类地行星的初始物质进行研究。实验材料以EH3型顽火辉石球粒陨石为主（天然样品Sahara97072和实验室合成的近似组分）。实验手段主要是利用活塞圆筒，六面顶压砧结合金刚石压砧对样品进行不同温度压力条件下的一系列熔融淬火，分析手段以扫描电镜、电子探针和ICP-MS为主。通过对熔融淬火后陨石样品的矿物相结构构成、成分变化，亲铁元素在不同熔体之间的分配和可能存在于金属熔体中的轻元素（S，Si, O，C）的含量进行分析，探讨原始地球或者类地行星的初期质量分离（核幔分离）的时间序列，观测可挥发性元素（以硫元素（S）为主）的丢失时间和温压条件，讨论由此引起的亲铁元素（Ni, Co, W等）在原始地球形成初期的分配，及地核中轻元素的可能来源和含量，进而架构一个系统的综合的关于原始地球或者其他类地行星早期形成及演化模型。

项目背景： 顽火辉石球粒陨石来自靠近太阳的小行星带内侧的相对还原的环境，与来自氧化环境的碳质球粒陨石不同，可以代表类地行星演化初始材料的还原端元。近年来，大量的同位素研究显示，早期地球的物质组成，甚至是月球诞生过程中与原始地球相撞的大碰撞体的物质组成都可能与顽火辉石球粒陨石类似。但是，由于样品稀缺以及实验复杂，缺少详细实验数据对这些推论进行量化验证。本项目重点开展顽火辉石球粒陨石的高温高压熔融实验，讨论以还原性的物质为初始材料的类地行星初始形成和演化过程，为进一步了解太阳系行星的形成过程提供数据支撑。.主要研究内容：通过高温高压实验对以EH3型顽火辉石球粒陨石为主的初始材料进行不同温度压力条件下的一系列熔融淬火实验。对熔融淬火后实验样品进行矿物学和岩相学以及地球化学分析。关注亲铁元素在不同熔体之间的分配和可能存在于金属熔体中的轻元素（S，Si, O，C）的含量，探讨原始地球或者类地行星的初期质量分离（核幔分离）的时间序列，观测可挥发性元素（以硫元素（S）为主）的丢失时间和温压条件，讨论由此引起的亲铁元素（Ni, Co, W等）在原始地球形成初期的分配，及地核中轻元素的可能来源和含量，进而架构一个系统的综合的关于原始地球或者其他类地行星早期形成及演化模型。.重要结果、关键数据及研究意义：.完成0.5、1.5、5GPa以及12GPa，1100-1700℃的顽火辉石球粒陨石熔融实验。通过改变实验组装，对氧逸度进行调整。通过电子探针、扫描电镜以及ICP-MS等手段对实验样品进行定量分析。已有的实验结果显示，高温条件下金属铁和富S的铁熔体发生液相不混溶，指示以还原材料为初始物质的小行星或者星胚，如果经历高温熔融，会直接形成分层（内层和外层）的金属核。金属相的液相不混溶受温度、压力以及硅酸盐相成分的影响，这对将来研究太阳系不同行星的形成过程有重要指示意义。