碳同位素示踪地球与火星挥发物起源：比较行星学视角下的关键证据与演化路径

本综述系统探讨了利用碳（C）同位素（δ13C）示踪地球（BSE）与火星（BSM）挥发物起源的机制，揭示了二者因吸积历史差异导致的挥发性元素（C-N-H）来源分异。通过对比行星与星子储库的δ13C特征，提出地球后期碳质（CC）物质的加入偏倚了其同位素组成，而火星则主要继承内太阳系非碳质（NC）物质信号。研究为理解类地行星宜居性演化提供了关键地球化学约束。

　　

Highlight

火星陨石中岩浆碳的平均δ¹³C值（?20‰）显著低于地球硅酸盐储库（BSE）的典型值（?5‰）。尽管来自非碳质（NC）储库的玄武质无球粒陨石、岩浆铁陨石和普通球粒陨石与火星陨石δ¹³C相似，但BSE的δ¹³C值与碳质（CC）球粒陨石（如CI、CM、CR）及NC储库中的顽火辉石球粒陨石和橄辉无球粒陨石接近。若火星岩浆在去气过程中未发生显著碳同位素分馏或处于动力学去气条件，其地幔δ¹³C可能反映来自热处理的未分异（类普通球粒陨石）和分异NC物质的吸积。相反，若通过瑞利分馏发生平衡态去气，火星地幔δ¹³C（?12‰至?10‰）将高于当前陨石记录值——但仍轻于BSE典型值，暗示¹³C相对富集的NC物质（如顽火辉石球粒陨石）的贡献。

对于BSE，尽管其典型δ¹³C值（?5‰）与顽火辉石球粒陨石和橄辉无球粒陨石重叠，但地球生长主阶段后期加入的富挥发分CC物质（对其水和氮库存至关重要）可能使其碳同位素组成偏向CC特征。然而，近期研究提出的MORB地幔较低平均δ¹³C值（?8.4‰）可能意味着地球地幔仍保留早期吸积的¹³C贫乏、经热处理的NC物质信号。地幔碳同位素组成的异质性（类似H和N同位素）可能因此反映NC与CC物质的混合贡献。这些发现表明BSE的δ¹³C值可能低于传统估计，更接近MORB地幔 proposed值。

Conclusion

本研究通过分析行星与星子储库的碳同位素组成关系，从比较行星学视角为地球与火星挥发物起源提供了新见解。火星陨石中岩浆碳的δ¹³C均值（?20‰）显著低于BSE典型值（?5‰）。来自早期分异NC星子的陨石（如玄武质无球粒陨石、HED陨石、岩浆铁陨石）和普通球粒陨石与火星陨石δ¹³C相似，而BSE值与CC球粒陨石及部分NC陨石（如顽火辉石球粒陨石和橄辉无球粒陨石）重叠。火星的快速吸积及其NC主导的构建物质表明其挥发物主要来自内太阳系经热处理的星子。地球则通过后期CC物质加入获得大量挥发物，但其地幔可能仍保留早期NC物质的同位素印记。二者吸积历史的差异导致挥发物获取路径的根本不同，进而塑造了各自长期的地球化学演化与宜居性潜力。