基于53Mn-53Cr年代学揭示原地球储层形成与挥发性元素耗竭的时间尺度

本研究通过53Mn-53Cr同位素年代学，追溯碳质球粒陨石（CCs）和原始地球（PE）储层的ε53Cr演化，首次限定原行星盘气体耗散导致Mn-Cr分馏终止的时间窗口（≤3 Ma）。该成果为太阳系早期挥发分分馏机制和类地行星形成模型提供关键时间约束，发表于《Science Advances》。

　　

在浩瀚的宇宙剧场中，地球如何从原始星云物质演变成今天的宜居星球？这个终极命题的关键线索，就藏在太阳系早期挥发性元素的分布规律中。锰（Mn）和铬（Cr）作为中等挥发性元素，其同位素分馏记录如同刻在陨石上的"年轮"，但长期以来，科学家们对原地球储层形成与挥发性元素耗竭的具体时间尺度缺乏精确约束。中国科学院地质与地球物理研究所的研究团队在《Science Advances》发表的研究，通过创新性地运用⁵³Mn-⁵³Cr短寿命放射性同位素体系（半衰期3.80±0.23 Ma），首次揭示了这一关键演化阶段的时间密码。

研究团队采用三重技术路线：① 以D'Orbigny陨石为时间锚点（4563.51±0.18 Ma），建立绝对时间标尺；② 通过蒙特卡洛模拟（10,000次迭代）回溯碳质球粒陨石（CCs）和原始地球（PE）的ε⁵³Cr演化轨迹；③ 构建三种地月形成混合模型（PE与Theia比例分别为90:10、60:40及均一化模型），结合金属-硅酸盐分配系数（D_Mn/Cr^m-s<0.16）约束核幔分异过程。

【结果】

1. 碳质球粒陨石储层形成年龄：

   CM、CO、CV、CK等CCs群体的Mn-Cr分馏发生在CAI（钙铝包裹体）形成后1.8-3.4 Ma（4566.7-4565.2 Ma），与球粒形成高峰期吻合；而CB、CH群显示较晚年龄（4.4-7.3 Ma），反映撞击蒸发导致的特殊形成机制。

2. 原始地球挥发分耗竭时限：

   通过三种混合模型的反演均表明，PE的Mn/Cr比值从太阳系初始值（CI球粒陨石为0.84）分馏的事件不晚于CAI形成后3 Ma。模型II（PE占90%）显示最大概率峰值在2.0 Ma，暗示原行星盘内区气体耗散与挥发分丢失的同步性。

3. 核幔分异的同位素印记：

   原始地幔（PEM）的现今ε⁵³Cr为-0.03至0.05，显著低于BSE（0.04±0.02），证实后期Theia（ε⁵³Cr=0.28±0.01）的混入。原始地核（PEC）因优先富集Cr而具有更低ε⁵³Cr（-0.32至-0.06）。

【结论】

这项研究开创性地建立了三个维度的认知突破：① 原行星盘气体耗散导致Mn-Cr分馏终止的时间下限（≤3 Ma），与天文观测的盘寿命（3-5 Ma）吻合；② 揭示PE早期强烈挥发分耗竭（Mn/Cr=0.12-0.34）与CCs群体（Mn/Cr=0.48-0.80）的成因联系；③ 为"大碰撞说"提供同位素证据——Theia需具有CI球粒陨石特征（模型II）才能解释现今BSE组成。这些发现不仅完善了太阳系早期演化的时间轴，更揭示了挥发分递送对地球宜居性的决定性影响：那个曾经干燥的原始地球，正是通过后期"迟到"的富挥发分天体（Theia）的馈赠，才最终获得了生命诞生的物质基础。