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Who’s late veneer?

已有 1431 次阅读 2019-8-13 18:50 |个人分类:社会讨论|系统分类:海外观察


2011年十月份从香格里拉出野外回来,刘老师说CSC的公派出国通知出来了,我建议你申请一下试试。当时,我已经签了一个很不错的工作,而且我没有准备英语,因此并没有真打算去申请。不过,既然建议我试试,那我就试试。在随后的时间里一方面准备雅思考试,一方面写CSC要求的申请书。那时候还没写过申请书,联系的外导给我发来了一些论文,建议了课题的名称,让我用英语写一个给他修改。那是我第一次知道highlysiderophile elementsHSE,强亲铁元素;包括铂族元素以及金和铼)这个说法,而且我还理解错了,理解成高场强元素。这当然是我基础不牢造成的,但是我也查了字典和网络翻译,确实没有找到恰当的中文对应。这是我第一次知道有关陨石撞击地球的科学问题,以前只听说过恐龙灭绝和陨石撞击有关。

这几年,随着行星科学和天体化学的相关研究人员逐渐增多,从HSE引发的有关后期增生的话题逐渐为人所熟知。现在有关后期增生主要与三个概念有关,一个是late heavy bombardment (LHB),一个是late veneer,最后一个是late accretion。这三个是基于不同的观测事实提出来的概念。LHB的概念是Tera等人根据阿波罗月球样品的年龄提出来的,他们发现年龄在40-37.5亿年的月球样品远远多于其它年龄段,出现了一个40-37.5亿年样品的暴增,而这些年龄记录的是陨石撞击月球表面的年龄。可以发现,LHB是一个纯粹基于月球样品年龄提出来的概念。Late veneer是根据两方面数据联合提出来的,一个是高温高压实验测定的金属相(代表地核)-硅酸盐相(代表地幔)之间的HSE元素的分配系数(分配系数就是元素在金属中的含量除以元素在硅酸盐中的含量),一个是HSE在地幔样品中的实际含量。人们发现,HSE的金属相-硅酸盐相分配系数特别大,也就是说地球上所有的HSE都应该在金属地核里,硅酸盐地幔中不应该有哪怕一丁点儿。但是,吊诡的是,人们测的地幔样品中HSE的含量却非常高。为了解释这么一种矛盾的现象,人们认为必须在地幔中加入一定量的陨石才行(因为陨石的HSE含量很高),这层陨石雨均匀地洒在地球的表面,迅速在地幔中混合均匀,因此late veneer完整的翻译应该是晚期薄层增生。可以发现,late veneer是一个纯粹基于地球的硅酸盐地幔中HSE含量提出来的概念。最后一个概念是late accretion,不同源LHB基于时间,也不同于late veneer基于化学组成,late accretion是一个单纯的行星动力学概念,它针对的是太阳系的固体物质(如小行星等)随时间的迁移规律,即不指定特定的时间段,也不关心固体物质的化学组成。

大家可能已经注意到了,在介绍late veneer的时候,我连用了三个人们。这是不合道理的,因为科学概念的提出,一定是有首倡者的。Late veneer的首倡者是一个我们既熟悉又陌生的人,他就是周诚林教授。说他熟悉,是因为他是国际知名的煤地球化学专家,是矿业大学等国内多所大学的兼职教授,组织了首次海峡两岸的科学会议。说他陌生,是因为他早期关于陨石和行星科学的工作,像是被遗忘了一样,少有人提及;即便是提及,也是夹在无数个后来人中间,根本突显不出他的重要性来。

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1978年,已经在多伦多大学工作的周诚林在美国月球与行星科学年会上,以唯一作者的身份发表了一篇摘要Fractionation of siderophile elements in the earth’s upper mantle(地球上地幔的亲铁元素分异),周先生时年35岁。正是这篇文章,首次提出了要解释地幔中的HSE的含量,需要向地幔中加入相当于地球总质量1.0±0.4%的陨石物质(如下图)。当时周先生认为,这和LHB不谋而合。LHB指出了陨石撞击的时间窗口,而周先生用HSE指出了加入的量。周先生是怎么确信需要加进来的东西就是陨石物质呢?是因为他发现上地幔样品中的HSE元素含量之间的相互比值和陨石中的比值非常一致!!!这个就是目前学术界的高热词汇late veneer的来源,当然周先生自己没有明提late veneer这一名词,但是实际上已经完全具备了后来关于late veneer的两大要素:HSE含量高于预期—HSE含量比值接近陨石

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需要特别指出的是,周先生能提出这样的概念,是基于毛河光先生1974年(毛先生时年32岁)的高温高压实验结果A discussion of the iron oxides at high pressure with implications for the chemical and thermal evolution of the earth (一个关于高压下含铁氧化物及其与地球化学与热历史的演化的讨论)。这一工作发表在卡耐基研究所的年刊上,毛先生是唯一作者。可以看出,late veneer这一概念的提出,得益于两位华人科学家在各自领域深刻的领悟和丰富的想象力。

周先生能提出late veneer的概念,不是仅仅从这一工作得出来的,是他早期关于陨石和月球工作的积累。周先生博士毕业以后,跟随陨石学的里程碑式科学家John Wasson做博士后,从事陨石中微量元素含量的测定工作。1975年,WassonBoynton和周诚林在月球与行星科学会议上发表了一篇论文,他们发现来自月球高地斜长岩的月壤的Ge/Ir值比来自月海玄武岩的Ge/Ir比值要高,高地斜长岩月壤的Ge/Ir比值与当时观察到的陨石的Ge/Ir也都不一样,只是和CM型球粒陨石更像一些而已。他们据此推测,与CM型球粒陨石比较类似的物质是LHB阶段最主要的物质组成。月球表面有撞击坑、他们发现了可能的撞击物的组成、月球和地球这么近,因此有必要也对地球中的亲铁元素做一个详细的研究。这就有了上文提到的1978年那篇文章。

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周先生1978年的文章,除了指出地幔中的所有HSE都是后期陨石撞击带进来的之外,还指出了上地幔中Ge总量的30%也是由同一陨石撞击带进来的。这样的前瞻性和一杆到底的工作,是近年来学术论文中较为少见的。当然周先生的这篇文章中,也有一些认识值得商榷,比如他发现大洋中脊玄武岩和洋岛拉斑玄武中的PdIrAu的含量相差较大,因此他推测是地幔源区不均一性的问题,当时他可能没有意识到岩浆演化过程中亲铁元素之间会发生元素比值的分异。1978年这一认识上的欠缺,周先生在1983年的论文中补上了,同样还是在月球和行星科学会议上。1983年,他和Shaw以及Croket合作发表了题为 Siderophile trace elementsin the earth's oceanic crust and upper mantle的回忆文章,指出大洋玄武岩和洋岛玄武岩中的亲铁元素含量比值之所以变化比较大,是因为在部分熔融和结晶分异过程中,这些强亲铁元素的不相容性不一样,有些倾向于留在地幔元素,比如Ir,而另一些则倾向于进入熔浆,如PdAu等。在周先生1983年的文章中,不仅得到了更加精确的陨石撞击量(如上图),而且还发现月球低钛月海玄武岩的Re/Ir值比地球大洋玄武岩的要低,周先生他们推测这是由于月核形成发生在远比地球更加还原和干燥的情况下造成的。

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半个世纪过去了,后人对于late veneer的认识,虽然没有完全跳出周先生的框架,但是也有了重要的进展,这其中最重要的是利用Ru的同位素核合成异常发现late veneer过程中的陨石,可能不是现今地球上收集到的陨石种类。核合成异常为late veneer的物质种类提供了近乎一锤定音的认识,但是这个认识周先生及其博士后导师WassonBoynton利用元素含量之间的比值就指出来过,因此也算不得完全的新鲜事。

从周先生以后,华人、华裔或者中国学者就失去了对late veneer的话语权。周先生自己也离开天体化学和行星科学,加入到伊利诺伊州的地质调查局,开始了对煤地球化学的研究。周先生的转行实在是不可思议,他在陨石领域有瞩目的成就,但是在大学找一份相关的工作依然不是很顺畅,几经周转之后,他落脚到伊利诺伊州的地质调查局开始研究盆地矿产资源。这一大的学术生涯转变,并没有让周先生失去创造力。2012年周先生依然在International journal of coal geology(国际煤地质杂志)上发表了重磅综述文章Sulfur in coals: A review of geochemistry and origins

周先生是江苏镇江人,像那个时期的很多人一样,随家人到台湾,后又到美国求学、谋生和定居。他的周先生像一颗超新星那样,出现在陨石和行星科学的研究里,又悄然隐去,他的学术生涯的转变让我深深着迷。然而,2019531日,周先生去世了,我们再也无从知道面对学术生涯的转变,他的心内世界经历了什么样的波动。虽然late veneer的爸爸去世了,但是他留下的这个孩子依然是行星科学领域最瞩目的一颗行星。


下面是周先生的照片,照片都来自dignitymemorial.com,仅做怀念。

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