高压下Ga和Ge的金属-硅酸盐分配行为及其对地球挥发性物质吸积的启示

为解决地球挥发性元素（如Ga、Ge）在核幔分异过程中的分配机制问题，南方科技大学地球与空间科学系团队通过激光加热金刚石压砧（LH-DAC）实验，在22–70 GPa和3728–4740 K极端条件下揭示了Ga、Ge的分配规律。研究发现压力、温度及金属中轻元素（Si、O、S）显著影响其亲铁性，并构建多阶段吸积模型，提出Ga、Ge贯穿地球吸积全程的新观点，为理解地球挥发分演化提供关键约束。

　　

地球的挥发性元素（如镓Ga和锗Ge）为何在硅酸盐地幔中如此稀缺？这一谜题长期困扰着行星科学家。传统理论认为，这些元素可能在地球形成晚期才被吸积，或是在核幔分异过程中大量进入地核。然而，现有实验数据多局限于低压条件（<25 GPa），难以解释它们在高压下的真实行为。更矛盾的是，尽管Ga和Ge具有相近的冷凝温度，其在地幔中的丰度却差异显著——Ge的亏损程度远超Ga，暗示着复杂的分配机制。

为破解这一难题，南方科技大学地球与空间科学系的研究团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表了一项突破性研究。他们采用激光加热金刚石压砧（Laser-Heated Diamond Anvil Cell, LH-DAC）技术，首次在22–70 GPa超高压和3728–4740 K超高温条件下，系统测定了Ga和Ge在金属与硅酸盐熔体间的分配系数（D_Ga^{metal/silicate}和D_Ge^{metal/silicate}）。结合热力学建模与多阶段吸积模拟，揭示了控制这些元素分配的物理化学规律及其对地球形成史的启示。

关键技术方法
研究团队选取洋中脊玄武岩（MORB）和富铁橄榄岩作为硅酸盐起始材料，通过LH-DAC实现极端温压条件。利用电子探针（EPMA）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）分析淬火样品成分，结合热力学参数化模型量化压力（P）、温度（T）及金属中轻元素（Si、O、S）对分配行为的影响，最终构建多阶段核心形成模型以拟合BSE（Bulk Silicate Earth）观测值。

主要研究结果

1. 淬火结构与化学平衡
淬火样品呈现典型的高压熔融特征：金属液滴嵌于硅酸盐熔体基质中，边缘为结晶相和未反应硅酸盐（图1）。金属相因快速淬火呈现成分不均一性，但通过微区分析确认了局域平衡的达成。

2. 分配行为的热力学控制
实验数据表明：

• Ga的亲铁性始终低于Ge（D_Ga < D_Ge），且两者均随P、T升高而减弱
• 金属中的S和Si显著降低Ga、Ge的分配系数，与前人低压研究一致
• 意外发现O对Ga/Ge的作用相反：增加Ga的亲铁性（D_Ga↑），却抑制Ge进入金属相（D_Ge↓）

3. 多阶段吸积模型
通过模拟不同吸积场景发现：

• 均质吸积模型无法解释BSE中Ga/Ge的亏损程度
• 晚期吸积（仅最后10–20%质量增长阶段加入挥发分）与地球Mn/Na比值矛盾
• 最优解为"全程异质吸积"：Ga、Ge随不同氧化/还原物质在整个吸积期持续加入

结论与意义
该研究首次将Ga/Ge分配实验拓展至70 GPa级高压，修正了O对Ga分配系数的传统认知，并揭示轻元素协同作用对核幔分异的复杂调控。提出的"全程异质吸积"模型为地球挥发分演化提供了新范式：Ga、Ge的BSE丰度记录着从星子吸积到巨型撞击的全过程信息，而不仅是晚期加入的结果。这对理解类地行星的化学分异具有普适意义，并为后续研究月球、火星等天体的挥发分历史建立了方法论基础。