氮在类地行星以及月球岩浆海中的溶解和分配行为

Nitrogen is one of the most important volatile elements. Nitrogen is not only strongly associated with the formation and evolution of our planets but also ultimately related to the origin of life and the evolution of the biosphere on our Earth. However, so far the origin and distribution of nitrogen in planetary interiors remain largely unknown. During the early accretion stage, the terrestrial planets and also the Moon were probably partially or completely molten, forming so-called magma ocean. In the magma ocean, Fe-rich alloys melts segregated from the silicate melts, forming the core and the silicate mantle. The distribution of nitrogen between the core, mantle, and the early atmosphere would depend on the dissolution and partitioning behavior of nitrogen in coexisting Fe-rich alloy melts and silicate melts. Therefore, this propose aims to systematically investigate the effects of pressure, temperature, oxygen fugacity, alloy composition, silicate melt composition, and melt volatiles (H2O, carbon) on the solubility and partitioning of nitrogen in the Fe-rich alloy and silicate melt systems. The obtained new data can be used to constrain the origin and distribution of nitrogen between planetary interiors and early atmospheres and to understand the interaction of nitrogen between different planetary reservoirs and the long-term nitrogen cycle.

氮是一个极其重要的挥发性元素。它不仅影响着类地行星的形成和演化，也影响着地球生命的起源和演化以及生物圈的形成和演化。然而，我们却对氮在地球、月球以及其他类地行星内部的成因、分布以及丰度知之甚少。早期地球、月球以及其他类地行星都经历了部分甚至全部熔融，即所谓的岩浆海（magma ocean）过程。氮在地核、地幔以及早期大气圈中的分布和丰度取决于氮在岩浆海中的溶解以及分配行为。因此本申请将系统地研究温度、压力、氧逸度、硅酸盐熔体成分（代表地幔）、金属相成分（代表金属地核）、熔体挥发份对氮在硅酸盐熔体中的溶解度以及氮在金属相和硅酸盐熔体相之间分配系数的影响。实验获取的溶解度以及分配系数可用于限定氮在地球、月球以及其他类地行星内部和早期大气圈之间的分布情况以及各圈层之间的相互作用，也可用于理解地球、月球以及其他类地行星的氮总量、地幔氮成因、早期大气圈的形成以及氮循环

本项目主要研究了岩浆海条件下氮(N)在硅酸盐熔体中的溶解度，氮在金属相和硅酸盐熔体相之间分配行为，以及氮在属相和硅酸盐熔体相之间的同位素分馏。通过一系列高温高压实验，对温度(T)、压力(P)、氧逸度(fO2,采用Fe–FeO氧逸度缓冲剂）、硅酸盐熔体成分（代表地幔）、金属相成分（代表金属地核）、熔体挥发份对氮在硅酸盐熔体中的溶解度、氮在金属相和硅酸盐熔体相之间分配系数(D− )及同位素分馏系数(Δ15− )的影响进行了限定。实验获取的溶解度、分配系数及同位素分馏系数可用于限定氮在地球、月球以及其他类地行星各圈层中N的分布情况以及各圈层之间的相互作用，并通过建立多阶段地球生长模型来示踪地球及类地行星氮及其他挥发分的物质来源。经高温高压实验研究发现，1.在在1700–2200 oC，1–8 GPa及IW–0.3至IW–4.7的T-P-fO2范围内，氮在金属相-硅酸盐熔体之间的分配系数在0.03-78之间，主要受fO2控制，其次，还受温度、压力、熔体组成、金属相中的S、Si、Ni、C含量的影响。 2. 氮在硅酸盐熔体中的溶解度随着氧逸度的降低而升高，这主要与氮在熔体中的价态变化相关，氮在金属相的溶解度则主要受压力控制。3. 氮在金属相-硅酸盐相之间同位素分馏会随着氧逸度的降低而增大，在IW-0.3至IW-4.7的fO2范围内其分馏值从–4‰升至+10‰，主要受fO2和温度的控制，压力与熔体组成没有明显效应。其中，fO2对Δ15−的控制作用主要与氮在硅酸熔体中的价态有关。4. 多阶段核幔分异模型计算发现，现今地球的表层（大气圈+地壳）及硅酸盐地幔的氮丰度和氮同位素组成特征可通过以下模型来解释：地球早期的60%的质量以类似EC的物质生长，之后的40%质量生长过程中其物质来源逐渐氧化，并伴随少量的氧化的CI物质的加入。地球上的氮及其他挥发分元素如C、H、S的物质来源很可能是多源的。