中国科大揭示火星核幔分异过程

我院地球化学与行星科学系高温高压岩石学与矿物学团队在类地行星研究领域取得重要进展，他们通过第一性原理自由能计算揭示了火星核和火星幔的分离过程，发现约束火星的核幔分离发生在远超先前估计的高温高压条件下，这对理解火星的内部结构与长期演化具有重要意义。这项研究以“A deeper and hotter Martian core-mantle differentiation inferred from FeO partitioning”为题，于12月1日在线发表在《Science Bulletin》上。

核幔分异是类地行星历史上规模最大的物质重组过程（图1），其奠定了类地行星的长期演化格局，对理解火星的形成及演化至关重要，也为认识地球等类地行星的演化规律提供重要参考。目前，科学家对火星核幔分异的了解主要基于对火星陨石中中度亲铁元素的研究，依靠这些元素在高温高压条件下的分配行为来推测火星核幔分异的条件。然而，受限于数据的稀缺性以及火星核成分的不确定性，这一过程至今仍无法得到明确约束。

2018年，InSight火星探测器成功发射并着陆。2019年，该探测器首次探测到火星震信号，研究人员利用这些信号结合地球物理学和矿物学方法，首次精确测定了火星核的大小和状态，并对火星核中轻元素的含量进行限制。基于InSight任务的低频火星震数据，研究发现，火星液态核心的密度较低，火星核中存在显著的氧含量。虽然轻元素含量存在不确定性，但通过与核幔分配数据结合，存在进一步约束火星核幔分异过程的可能。

研究团队通过分析氧化铁（FeO）在核与幔物质间的分配行为，结合InSight任务提供的最新火星化学组成数据，对火星的核幔分异过程进行了重新评估。研究采用了第一性原理热力学计算方法，模拟了液态铁与硅酸盐熔体之间的FeO分配系数，结果与现有低压实验数据基本一致，并厘定了温度、压力、氧逸度和硫元素对分配行为的影响。研究团队根据这些结果以及火星氧化还原状态对核幔分异模式条件进行了约束（图2），认为火星的核幔分异需要发生在超过2440 K的温度和14至22 GPa的压力下。虽然这些估计值高于先前的报道，但与火星陨石中的中度亲铁元素丰度及火星聚积模型的结果相符。这项研究不仅修正了人们对火星核形成条件的认识，还为未来的行星形成模型提供了新的研究视角。

图1 火星早期圈层分异形成过程示意图。

图2 不同温度压力条件对应的核幔分离氧逸度（热力图）及火星核氧含量（白色断线）。

       论文第一单位为中国科学技术大学，第一作者与通讯作者为李云国特任教授，合作者包括我院倪怀玮教授与成都理工大学李春辉副研究员、周游副教授和刘耘研究员。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDB41000000）、中国科学技术大学创新研究团队（WK3410000019）项目、基金委优秀青年科学基金等项目的支持。计算工作主要在中国科学技术大学超算中心完成。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927324008788