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2017年12月13日 星期三

丁酉(鸡)年十月廿六

陨石中原始同位素组成异常 - 陨石中原始同位素组成异常 [回目录]

陨石中原始同位素组成异常 - 正文 [回目录]

  整个太阳系是由同一星云凝聚形成的。按传统的看法,在行星形成之前,星云中各种来源的核合成成分发生有效 的混合和同位素均匀化作用,结果形成一个同位素“均一”的太阳系。如136Ba是S过程产物,而大多数135Ba是r过程产物。135Ba和136Ba生成区域极不相同(见元素起源)。然而地球、月球和陨石135Ba/136Ba比值之差小于0.01%,被认为是均一的。这种均一的同位素成分称为“正常”组分。太阳系有 3个已知过程可以引起正常组分的同位素丰度发生变化:①热扩散、化学反应等过程产生的分馏效应;②放射性核素的衰变;③宇宙线引起的核反应。20世纪70年代以来,对陨石中同位素组成的研究,发现了不寻常的同位素丰度变化,这种变化不能用上述3个过程加以解释,就称之为“原始同位素组成异常”。这种异常可以根据与一定元素的太阳系同位素丰度之偏差加以确定。
  发现史 1972年布莱克 (D.C.Black)在对碳质球粒陨石进行分段加热实验中,首先发现了氖(Ne)的同位素异常成分(Ne-E),并提出了太阳系外成因的假设。当时由于Ne在陨石中的丰度极低而未引起重视。1973年,克莱顿 (R.N.Clayton)等人在阿连德等碳质球粒陨石中发现氧同位素异常,这才引起人们对陨石中原始同位素组成异常的强烈关注。氧同位素异常表明,太阳系的一种主要元素的同位素组成是不均一的。这一发现是太阳系物质同位素组成研究方面的一项重大突破。以后还发现了氙(Xe)同位素异常,又在阿连德碳质球粒陨石包体Cl和EK1-4-1中发现了彼此相关的多种元素的同位素异常。
  同位素异常成分 陨石中已发现的原始同位素异常成分有:
  氖-E(Ne-E) 陨石中Ne有5种组分,Ne-E是一种富重Ne同位素(22Ne)的成分,或许是一种纯22Ne组分(见陨石中的稀有气体)。
  氧 在地球和陨石物质中,18O/16O的值不同,这种不同长期被认为是质量分馏效应引起的。碳质球粒陨石矿物氧同位素组成研究表明,C2、C3和C4型陨石物质 16O的比例比地球物质要高些,最多可高5%。因其差异不与同位素的质量差成正比,故不是来源于化学分馏作用。克莱顿等认为陨石中的氧是由一个类似于地球氧同位素组成的正常组分和另一个接近于纯16O的异常组分组成的混合物。后者应是一种核效应的产物。但它不是在陨石原处发生的核效应,因为没有任何一个氧同位素含有天然放射性母体。同时,也未曾观察到宇宙线照射所引起的其他核效应。因此,氧同位素异常被认为是由于原始不均一性引起的异常。这种异常不仅反映在同一陨石的不同矿物和包体之间,而且在不同陨石之间也呈现出这种异常。陨石中额外的16O的最合理来源是超新星爆炸,使He燃烧生成的16O加入到正在凝聚的太阳星云中。
  已灭绝的放射性核素 有4种现在已灭绝了的放射性核素存在于早期太阳系:129I(半衰期1.7×107年)、244Pu(半衰期8.2×107年)、26Al(半衰期7.3×105年)和107Pd(半衰期6.5×106年)。陨石保存过剩的129Xe,是129I早期存在于陨石中的证据,陨石形成时的129I/127I比值约为10-4。但244Pu存在的证据是它的自发裂变产物131Xe、132Xe、134Xe和136Xe,陨石形成时的244Pu/238U比值为0.015。通过陨石中存在过剩的26Mg确证26Al存在于早期太阳系,陨石形成时的 26Al/27Al比值为5×10-5107Pd可由107Ag过剩确定其存在,陨石形成时的107Pd/108Pd比值为2×10-5。由244Pu和129I获得的太阳系形成间隔年龄为 108年量级。但由 26Al获得的最后核合成事件与太阳系固体凝聚之间的时间间隔在 106年量级。也就是前太阳星云开始塌缩和陨石形成之间的间隔由 108年减少到106年量级。短寿命的26Al不可能活到108年。因此,有理由认为在陨石形成之前很短暂的时间内,必然有新合成的某些物质(包括26Al、16O等)通过超新星爆发加到前太阳星云中。
  氙 碳质球粒陨石中俘获的氙同位素组分不仅富集重氙同位素 131Xe、132Xe、134Xe、136Xe,而且也富集轻氙同位素124Xe、126Xe和128Xe,被称为Xe-X。但太阳系内已知过程不可能产生Xe-X这样的同位素丰度模型,它应是一种原始同位素异常。此外,还发现了一种氙的同位素组分,被称为Xe-S,它是在高温加热时陨石释放出来的一种微量组分。它富集S过程的产物 128Xe、130Xe和132Xe,是存在于前太阳尘埃颗粒中的一种原始同位素组分。
  阿连德陨石包体C1和EK1-4-1  主要是由粗粒黄长石、辉石和尖晶石等矿物晶体组成的两种特殊包体。在这两种包体中,几乎所有被分析过的元素(如 O、Mg、Si、Ca、Sr、Ba、Nd和Sm)都显示同位素组成异常。重元素主要表现为核效应的影响,轻元素同时显示质量分馏效应和核效应的影响。
  ①氧、镁和硅 EK1-4-1和C1中不同的矿物含有不同的氧成分。C1的异常值Δ(25Mg/24Mg)约为30‰,Δ(26Mg/24Mg)约为59‰,Δ(26Mg/24Mg)/Δ(25Mg/24Mg)约为2;EK1-4-1的Δ(25Mg/24Mg)约为20‰,Δ(26Mg/24Mg)约37‰。C1和 EK1-4-1的Δ(29Si/28Si)依次为12.5‰和7.5‰,Δ(30Si/28Si)依次为23.5‰和12.5‰;EK1-4-1的Δ(30Si/28Si)/Δ(29Si/28Si)约为2。两个包体中的O、Mg和Si同位素成分均受核效应和分馏效应的影响,C1的分馏效应比EK1-4-1大,但核效应的影响比EK1-4-1小。
  ②钙、锶和钡 以地球、月球和陨石样品的平均比值44Ca/42Ca作归一化标准,扣除分馏效应后,对EK1-4-1,42Ca的过剩值为1.7‰,48Ca为14‰,44Ca/40Ca的值比地球值大0.72‰;C1包体的48Ca为-2.7‰。用86Sr/88Sr作归一化标准,EK1-4-1和C1的84Sr分别为-3.8‰和-1‰。表明此包体中可能存在S过程中产生的原始 86Sr过剩。选择S过程核素的比值 134Ba/138Ba作归一化标准,EK1-4-1中135Ba和137Ba的过剩值分别为 1.3‰和 1.2‰。取130Ba和132Ba为地球丰度。C1仅135Ba显负异常,数值为-0.2‰。
  ③钕和钐 C1中(Nd)是正异常。钐(Sm)同位素144Sm过剩1.5‰。EK1-4-1的144Sm 过剩3.4‰, 143Nd、145Nd、146Nd、148Nd和150Nd的异常值分别为+2.89‰、-0.21‰、-2.2‰、-2.07‰和-3.84‰。
  其他元素可能存在的同位素异常 一些碳质球粒陨石中1312C比值变化达9%,陨石中 15N/14N比值变化达24%,但由于碳和氮仅有二种稳定同位素,难以区分质量分馏效应和核效应对其同位素比值的影响。在阿连德陨石的酸浸残渣中发现 33S比地球值高0.1%。阿连德陨石中Te同位素组成显示很大异常,与Xe相似,具“V”型异常特征,被称为Te-X。一些陨石中202Hg/196Hg比值变化很大,从15%到22%。地球、陨石和月球物质的238U/235U=137.8,但在某些陨石中这个比值变化很大,从106.8到137.5。一些陨石中酸浸残渣238U/235U=40.2。
  陨石中原始同位素异常目前有如下几种解释:①由于来自原始太阳的高能粒子流对原始太阳系不同部位的照射不同所致;②在太阳系形成前几百万年邻近超新星爆炸产物的注入;③多个超新星爆炸产物的注入;④星际介质中不同成分的前太阳星云尘埃颗粒的不完全蒸发,这种成分可能起因于不同的区域(红巨星、行星星云、新星或超新星)。
  研究的意义 陨石中原始同位素异常的发现,对建立原始太阳星云模式和天体物理学问题有深远意义:它改变了太阳系物质同位素组成均一化概念,对阐明核合成理论有很大促进;太阳系的起源和演化理论将经受原始同位素异常观测结果的检验,同时也为探索太阳系物质来源,太阳系的形成、演化提供了新线索;原始同位素异常的发现也冲击着宇宙年代学计时法的一个基本原理,即所假定的太阳系物体都是由同一个同位素均一化物源演化而来,具有相同的原始同位素比值的概念;原始同位素异常还可作为一种示踪剂,去了解行星体形成的物源,不同行星体之间的成因联系和热演化等。

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更新时间 : 2009-05-15

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