撞击诱导升华驱动碳质球粒陨石中挥发性元素的耗竭

研究人员针对碳质球粒陨石中挥发性元素（如Zn）异常耗损现象，通过锌同位素分析（δ66Zn）和第一性原理计算，揭示了小行星尺度撞击事件在未分异天体表面引发固态Zn升华的动力学机制。研究发现极端重Zn同位素富集（δ66Zn高达24.2‰）源于低压条件下冲击加热导致的开放系统挥发，为早期太阳系挥发物分布提供了新范式。

　　

在太阳系早期演化过程中，碳质球粒陨石作为最原始的固态物质，记录了挥发性元素的分布规律。然而，这些陨石中中等挥发性元素（MVE）如锌（Zn）的异常耗损机制长期存在争议。传统理论认为，挥发性丢失主要发生在星云阶段或行星分化过程中，但越来越多的证据表明，某些碳质球粒陨石经历了后期热变质事件却未发生熔融，暗示固态条件下的元素丢失机制尚未被充分认知。

中国科学院地质与地球物理研究所（Institut de Physique du Globe de Paris合作单位）的研究团队在《Nature Communications》发表的最新研究中，通过对南极收集的8例热变质碳质球粒陨石（包括CM型和CY型）进行高精度锌同位素分析，结合第一性原理计算，首次揭示了撞击事件驱动固态Zn升华的关键机制。研究发现部分样品的δ⁶⁶Zn值高达24.2‰，创下所有已知陨石记录，且三同位素图（δ⁶⁸Zn-δ⁶⁶Zn）显示1.985±0.003的斜率，与理论预测的动力学蒸发斜率（1.971）完美吻合。这些证据表明，小行星表面遭受撞击时产生的瞬时高温（700-900°C）和近真空环境，能使Zn直接从固态升华逃逸，且由于开放系统条件下几乎不发生重凝结，导致残留固体中重同位素的极端富集。

关键技术方法包括：1）使用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）测定南极碳质球粒陨石（CM/CY型）的Zn同位素组成；2）通过蒙特卡洛模拟验证蒸发分馏因子（α）；3）采用第一性原理计算比较Zn、Cd、Fe、Mg从橄榄石晶格的蒸发能垒。

结果与发现

样品特征
分析的碳质球粒陨石Zn含量（1.77-162 μg/g）与δ⁶⁶Zn值（0.07-24.2‰）呈现显著负相关。其中CY型陨石Y-86789和Y-86720的δ⁶⁶Zn分别达18.2‰和24.2‰，比CI型陨石（0.46±0.08‰）高出两个数量级。值得注意的是，含较多球粒的CY样品B-7904 δ⁶⁶Zn较低（1.36‰），说明球粒基质混合可稀释同位素信号。

同位素分馏机制
质量依赖分馏斜率（1.985±0.003）明确指向动力学控制的蒸发过程。与月海玄武岩、火星陨石等经历熔融挥发的样品（α≈0.999-0.9999）不同，热变质陨石数据符合低压Rayleigh分馏模型（α=0.9753-0.9927），证明Zn以ZnS或ZnCl₂形式直接从固态逃逸。

固态蒸发验证
第一性原理计算显示，Zn从橄榄石M2位点蒸发的能量壁垒（ΔE）显著低于Mg和Fe（

），这解释了为何在未熔融条件下仍能观测到剧烈Zn耗损。Cd的ΔE最低，与陨石中Cd/Zn比值系统性降低的观测一致。

结论与意义

该研究首次证实撞击诱导的固态升华是碳质小行星挥发性耗竭的关键途径。这一发现革新了传统认知：1）表明未分异天体表面可通过纯动力学过程形成极端同位素分馏；2）为解释地外样品中Zn-Cd-Fe的协同耗损提供物理基础；3）暗示早期太阳系频繁的撞击事件可能显著重塑原始星子的挥发物库存。研究建立的"低压冲击挥发"模型，为理解类地行星挥发物输送机制提供了新框架，对行星吸积模型具有重要启示——部分所谓"挥发性贫乏"的星子可能并非原始特征，而是后期碰撞改造的结果。