摘要
我们对大气形成的理解基本上依赖于稀有气体及其同位素，其中氙(Xe)是行星早期阶段的关键示踪剂。然而，一个长期存在的问题是Xe大气损耗的起源1以及地球的轻同位素2和火星3.．本文报告了高压高温条件下的长石和橄榄石样品，在空气或氮气中稀释Xe和氪(Kr)，重Xe同位素富集率为+0.8 ~ +2.3‰/阿姆河， Xe较氪富集，高于氪+2.3‰/阿姆河值是最小的，因为定量捕获未反应Xe，无论是在气泡中还是吸附在样品上，是可能的。根据这些结果，我们提出了一个解决Xe缺失问题的方案，该方案涉及原始行星阶段的多个岩浆海洋阶段事件，并结合大气损失。这些事件中的每一个都导致Xe在深处被捕获，并优先保留其重同位素。就地球而言，重Xe组分后来通过大陆侵蚀和/或冥长英质地壳的循环，被添加到次生CI球粒大气中。
这是订阅内容的预览，通过你的机构获取
访问选项
订阅自然+
立即在线访问《自然》和其他55种《自然》杂志
29.99美元
每月
订阅杂志
获得1年的完整期刊访问权限
199.00美元
每期仅需$3.90
所有价格均为净价格。
增值税将在稍后的结帐中添加。
税金计算将在结账时完成。
买条
在ReadCube上获得时间限制或全文访问权限。
32.00美元
所有价格均为净价格。
数据可用性
在这项研究中产生或分析的所有数据都包含在这篇已发表的文章及其补充信息文件中，并可在Zenodo存储库(https://doi.org/10.5281/zenodo.6076901)．源数据都提供了这张纸。
参考文献
安德斯，E.和欧文，T.火星和地球:挥发物的来源和含量。科学198, 453 - 465(1977)。
Krummenacher, D.， Merrihue, c.m.， Pepin, R. O. & Reynolds, J. H.陨石氪和钡与氙中的一般同位素异常。Geochim。Cosmochim。学报26, 231 - 249(1962)。
Swindle, t.d.， Caffee, m.w. & Hohenberg, c.m. shergottite中的氙和其他惰性气体。Geochim。Cosmochim。学报50, 1001 - 1015(1986)。
Ozima, M. & Podosek, F. A.地球的形成年龄129我/127我和244聚氨酯/238U和缺失的Xe。j .地球物理学。Res。104, 25493 - 25499(1999)。
艾维斯，马丁，B. &伯吉斯，R.太古代氙揭示的地球大气的起源和脱气历史。Commun Nat。815455(2017)。
Dauphas, N. & Morbidelli, A. in地球大气和海洋起源的地球化学和行星动力学观点(eds Holland, H. D. & Turekian, K. k) 115-234 (Elsevier, 2014)。
地球行星大气和流星挥发物的起源和早期演化。伊卡洛斯92克ydF4y2Ba2 - 79(1991)。
Hébrard, E. & Marty, B.太阳紫外线照射下早期地球大气惰性气体-烃耦合演化。地球的星球。科学。列托人。38540-48(2014)。
扎恩勒，K. J.加斯卡，M.和卡特林，D. C.奇怪的信使:地球上氢的新历史，由氙讲述。Geochim。Cosmochim。学报24456 - 85(2019)。
地球大气的双重起源。伊卡洛斯165, 326 - 333(2003)。
Bekaert, D. V.， Broadley, M. W. & Marty, B.根据67P/ Churyumov-Gerasimenko彗星的惰性气体数据重新审视地球挥发性元素的起源和命运。科学。代表。105796(2020)。
马蒂，b等人。67P/ Churyumov-Gerasimenko中的氙同位素表明，彗星对地球大气有贡献。科学356, 1069 - 1072(2017)。
Piani, L.等人。地球上的水可能继承自类似顽辉石球粒陨石的物质。科学50, 1110 - 1113(2020)。
贾沃伊等人。地球的化学成分:顽辉石球粒陨石模型。地球的星球。科学。列托人。293, 259 - 268(2010)。
波耶特等人。顽辉石球粒陨石EL3是地球的积木:关于146Sm -142和系统误差。地球的星球。科学。列托人。214, 427 - 442(2018)。
行星内部的惰性气体反应。前面。理论物理。8157(2020)。
Dewaele等人。氙氧化物Xe的合成及稳定性研究2O5和Xe3.O2在压力下。Nat,化学。8, 784 - 790(2016)。
Stavrou, E.等。在地核热力学条件下氙和铁镍金属间化合物的合成。理论物理。启。120096001(2018)。
Crépisson, C.， Blanchard, M.， Lazzeri, M.， Balan, E. & Sanloup, C.从第一性原理计算对橄榄石中Xe掺入机制的新约束。Geochim。Cosmochim。学报222, 146 - 155(2018)。
α-石英中氙保留的从头算研究。期刊。提供者。事22025501(2010)。
Crépisson, C.等。的Xe-SiO2系统在中等压力和高温下。Geochem。地球物理学。Geosyst。20., 992 - 1003(2019)。
Shcheka, s.s. & Keppler, H.陆相稀有气体特征的起源。自然490, 531 - 535(2012)。
陈晓明，陈晓明。氙同位素对挥发性物质循环进入地幔历史的约束。Geochim。Cosmochim。学报560, 223 - 227(2018)。
克兰兹，帕曼，S. W. &凯利。蛇纹岩俯冲作用对重惰性气体的回收作用。地球的星球。科学。列托人。521, 120 - 127(2019)。
海水俯冲作用控制了地幔重惰性气体的组成。自然441, 186 - 191(2006)。
莫雷拉，M.，昆兹，J. & Allègre, C.爆爆岩中的稀有气体系统:上地幔的同位素和元素组成。科学279, 1178 - 1181(1998)。
夏威夷捕虏体中的稀有气体。自然257, 778 - 780(1975)。
萨摩亚捕虏体中的稀有气体。地球的星球。科学。列托人。113, 129 - 144(1992)。
Czuppon, G, Matsumoto, T, Handler, m.r. & Matsuda, j - i。澳大利亚昆士兰北部昆昆山尖晶石橄榄岩捕虏体中的稀有气体:次大陆岩石圈地幔中未受干扰的morb型稀有气体。化学。青烟。26619-28(2009)。
黑田，P. K.，谢里尔，R. D.和杰克逊，K. C.花岗岩中稀有气体的丰度和同位素组成。Geochem。J。11, 75 - 90(1977)。
帕尔马，拉奥，M. N.，罗，M. W.和科伯尔，C.北美洲玻璃岩中的氪和氙分馏。流星。星球。科学。329-14(1997)。
Bekaert, D. V.， Avice, G.， Marty, B. & Henderson, B.月球斜长岩60025,60215,65315的逐步加热可能揭示了月球上的原生惰性气体成分。Geochim。Cosmochim。学报218, 114 - 1315(2017)。
Drescher, J.， Kirsten, T. & Schäfer, K. KTB大陆深度钻探项目回收的大陆地壳稀有气体库存。地球的计划。科学。列托人。154, 247 - 263(1998)。
Elkins-Tanton, l.t, Burgess, S. & Yin, Q.-Z。月球岩浆海洋:凝固过程与月球岩石学和年代学的调和。地球的星球。科学。列托人。304, 326 - 336(2011)。
P. Frossard, Boyet, M.， Bouvier, A.， Hammouda, T. & Monteux, J.太阳系内星子上形成斜长岩壳的证据。Geochem。Persp。列托人。1128-32(2019)。
Bouvier, l.c.等。火星上岩浆、海洋结晶和地壳形成极其迅速的证据。自然558, 586 - 589(2018)。
卡罗，G，波登，B，伯克，j - l。Moorbath, S.高精度142Nd /144陆相岩石中的钕测量:地幔早期分异的制约因素。Geochim.Cosmochim。学报70, 164 - 191(2006)。
Harrison, t.m.， Schmitt, a.k, McCulloch, m.t. & Lovera, o.m.陆壳早期(≥4.5 Ga)形成:Lu-Hf， δ18玄武纪锆石O、Ti测温结果。地球的星球。科学。列托人。268, 476 - 486(2008)。
Erkaev, N. V.等。火星原大气逃逸和初始水库存。星球。空间科学。98, 106 - 119(2014)。
塔克，J. M. & Mukhopadhyay, S.地幔惰性气体多次岩浆海洋出气和大气损失事件的证据。地球的星球。科学。列托人。393, 254 - 265(2014)。
Jambon, A.， Weber, H. & Braun, O.在1250-1600°C范围内玄武岩熔体中He, Ne, Ar, Kr和Xe的溶解度。地球化学意义。Geochim。Cosmochim。学报50, 401 - 408(1986)。
高压硅酸盐液体中惰性气体的计算机模拟研究。Geochim。Cosmochim。学报8051 - 69(2012)。
布罗克，M.， Chrenko, O, Nesvorný， D. & Dauphas, N.行星胚胎的扭矩驱动趋同迁移的早期类地行星形成。Nat。阿斯特朗。5, 898 - 902(2021)。
施利希廷，H. E.和穆克霍帕德耶，S.大气冲击损失。空间科学。牧师。21434(2018)。
哈珀，c.l.92克Nb在太阳系早期和评价一个新的p动线的宇宙年代测量仪92克Nb /92克ydF4y2Ba密苏里州。12,54。J。466, 437 - 456(1996)。
Jaupart, E.， Charnoz, S. & Moreira, M.行星胚胎中的原始大气合并和类地行星氖的起源。伊卡洛斯293, 199 - 205(2017)。
Crépisson, C.等。长石玻璃及其熔体中的氪环境:高压、高温x射线吸收研究。化学。青烟。493, 525 - 531(2018)。
Kohara, S.等。稠密填充的顽辉石和菱镁石复合玻璃中拓扑顺序与玻璃形成能力的关系。美国国家科学院学报。美国108, 14780 - 14785(2011)。
Holland, G.， Cassidy, M. & Ballentine, C. J.地球地幔中的陨石Kr表明了大气的晚期增积源。科学326, 1522 - 1525(2009)。
Heber, V. S.， Brooker, R. A.， Kelley, S. P. & Wood, B. J.稀有气体(氦、氖、氩、氪和氙)对橄榄石和斜辉石的晶体熔体分配。Geochim。Cosmochim。学报71, 1041 - 1061(2007)。
C. Sanloup, B. C. Schmidt, G. Gudfinnsson, a . Dewaele, a . & M. Mezouar .氙和氩:橄榄石在深部的对比行为。Geochim。Cosmochim。学报75, 6271 - 6284(2011)。
Péron, S. & Moreira, M.由氙异常确定的挥发性物质循环进入地幔的开始。Geochem。Persp。列托人。921 - 25日(2018年)。
地球上消失的氙:早期脱气和大气中罕见气体损失的结合。化学。青烟。1151 - 6(1994)。
横口，张志刚，张志刚。冥界地幔动力学的地球化学约束。地球的星球。科学。列托人。238,相当于17 - 30(2005)。
萨诺，Y.，马蒂，B. &伯纳德，P.大气中的稀有气体(ed. Burnard, P.) 17-31 (Springer-Verlag, 2013)。
Crepisson, c .”缺失的氙:氙在地壳和上地幔矿物中储存的实验和理论研究．索邦大学博士论文(2018)。
来自俯冲洋壳的含水硅熔体的地幔交代作用的证据。自然410, 197 - 200(2001)。
郭琼。一种高压实验中气体加载的简易装置。点。矿物。74, 1383 - 1384(1989)。
Horlait, D.等。一种新型热解吸激光加热装置，用于研究材料高温下惰性气体的扩散和释放。启科学。Instr。92克ydF4y2Ba124102(2021)。
贝文顿，p.r. &罗宾逊，d.k。物理科学数据缩减与误差分析第三版(McGraw-Hill, 2003)。
确认
导致这些结果的研究是由法国CNRS PRIME80和CNRS MITI Défi ISOTOP项目资助的。我们感谢B. Lavielle和D. Bekaert进行了深刻的讨论，感谢R. Faure和a . Thomas在MS测量方面提供的技术援助，感谢T. Chematinov在进行阶梯加热实验方面的有益参与。SEM测量是在FIB和immc的SEM设施中完成的，由Région法兰西岛拨款芝麻2006 N°I-07-593/R和法国国家研究机构(ANR)拨款号支持。anr - 07 -上海步浪- 0124 - 01。我们感谢G. Prouteau提供圣卡洛斯橄榄石样品，感谢Sorbonne Université的矿物学收藏提供长石样品。
作者信息
作者和联系
贡献
c。s。和d。h。设计了这个项目，I.R.和c。s。进行了高潮- t实验、I.R、d.h和eg对惰性气体谱仪进行了分析。c。s。根据I.R.和D.H.的意见写了那篇论文
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有竞争利益。
同行评审
同行审查的信息
自然感谢Ray Burgess和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审文件可用。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构附属的管辖权要求保持中立。
扩展的数据图和表
图1 .扩展数据
a, Xe分馏作为合成和质谱分析之间时间的函数，b, Xe分馏作为样品质量的函数。如预期的那样，样品的数据点没有可检测的分馏(在1400°C下运行或使用100% Xe加载气体)，为了清晰起见，从图中删除了。垂直误差柱表示同位素分馏计算的SE
图2测量结果汇总δn用激光加热递增步骤实现的实验值。
与分析激光熔化碎片后释放的所有Xe不同，可调谐加热激光器首先设置在较低的功率(表示应用于激光源的功率电压V)。每个加热平台保持几分钟，并使用方法部分中描述的相同的通用协议，通过质谱分析释放的Xe。在橄榄石和桑尼丁1样品上做了少量的尝试。它们都指向Xe主要在熔点(或接近熔点)离开材料。只有两个实验，S1-11d与1%Xe气体和S1-19b与100%Xe气体，导致成功测量两者的所有加热步骤δn和[Xe]值，如本图所示。每个点面积与在加热平台处提取的Xe含量([Xe])成正比。星星δn结合所有的值δn用每个[Xe]来衡量和加权，换句话说δn如果样品碎片被直接熔化，我们就可以测量了。对于S1-11d (1% Xe气体)，我们观察到的变化δn大约是加热斜坡的2倍。对于同样的样品，在最低的激光电压下证明了一个未分馏的成分，但代表了边缘部分(总释放Xe的5.3%)。由于在相同的加热功率下，S1-19b的总Xe (100% Xe气体)的约45%被释放，这个低T释放可能与Xe被困为气泡有关。在最高T，即．在样品熔点处，对S1-19b和S1-11d分别测定了0.54±0.12‰/amu和0.61±0.11‰/amu的分数，表明该Xe组分中含有一定的分馏Xe，但仍有未分馏的Xe组分降低了整体测定值δn．这间接证实了氙的化学结合和相关的同位素分馏发生在所有的样品在T≤1100°C;δn对于用100% Xe气体制备的样品来说，接近于零仅仅是因为破坏现象，其程度与Xe分压成正比:矿物的过饱和(气泡形成，见扩展数据图)。3.)．构成该图的详细数据见补充资料文件中S111d和S1-19b的结果表，综合条件见扩展数据表1
图3 AsB模式下的SEM图像。
一个而且b，长石sanidine 1加载1 mol% Xe和1 mol% Kr富集空气(与合成S1-13和S1-14相同)。圆形暗区b合成气泡被发现并通过抛光打开。c，一种sanidine 1加载100 mol% Xe(与合成S1-17, S1-18和S1-19相同)。在较亮的区域c是Xe气泡，在过度饱和的样品中发现，即．加载100mol % Xe气体。
权利和权限
关于这篇文章
引用这篇文章
瑞普林斯基，我，桑洛普，C，吉伯特，E。et al。深硅酸盐中保留的氙的哈地斯同位素分馏。自然606, 713 - 717(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-04710-4
收到了：
接受：
发表：
发行日期：
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04710-4
