《自然.通讯》日本“隼鸟2号”小行星样本揭示太阳系早期水成改造历史——镁同位素地球化学新进展

原创 JAMSTEC 元素和同位素地球化学 2024年09月09日 12:53 北京

9月5日，一项关于碳质小行星（162173）（Asteroid Ryugu，龙宫号）返回样本的研究成果发表在《自然.通讯》上，该研究揭示了太阳系早期水成改造的历史细节。日本海洋地球科学技术振兴机构（JAMSTEC）生物地球化学研究中心Yoshimura 和Takano研究团队通过对龙宫星样本铁菱镁矿（Breunnerite，翻译：布伦纳石））[(Mg, Fe, Mn)CO3]进行顺序浸取分析，探讨了元素分配和镁同位素组成(25Mg/24Mg)的变化规律。这一发现不仅增进了我们对太阳系早期化学过程的理解，也为探索宇宙起源提供了重要线索。

Ryugu是一颗近地天体，也是阿波罗群中的一颗潜在危险小行星。它的直径大约为900米（约3000英尺），是一颗罕见的Cb光谱类型的暗天体，兼具C型小行星和B型小行星的特点。2018年6月，日本的探测器“隼鸟2号”抵达这颗小行星。在进行了测量并采集了样本后，“隼鸟2号”于2019年11月离开琉球返回地球，并于2020年12月5日将样本舱送回地球。样品显示存在有机化合物，例如尿嘧啶（RNA的四种成分之一）和维生素B3。

研究背景

龙宫星样本为研究太阳系早期水成改造历史提供了宝贵的资料。次生沉淀物如碳酸盐和层状硅酸盐能够揭示与小行星原始卤水成分相关的主要成分离子的分配情况。这种研究不仅可以帮助科学家们了解小行星内部的化学过程，还能为太阳系早期环境的演变提供证据。

主要发现

研究团队采用顺序浸取法，提取了盐类、可交换离子、碳酸盐和硅酸盐等不同组分，并对其进行了详细的分析。结果显示，布伦纳石是最富集轻镁同位素的样品，流体的25Mg/24Mg值在白云石沉淀之前比初始值（设定为0‰）降低了约0.38‰。这意味着，在白云石开始沉淀之前，镁同位素已经经历了显著的分馏。研究者提出了一种简单模型来解释这一现象：Mg2+首先在层状硅酸盐中沉淀，随后是白云石的形成，此时约有76-87%的Mg2+从原始卤水中被移除。而在白云石沉淀之后，仍有一小部分层状硅酸盐继续沉淀。这一发现表明，龙宫星上的水成改造过程是一个复杂且分阶段的事件。

图1.布伦纳石颗粒（C0002）和从聚合样本（A0106 & C0107）中提取的浸出液以及龙宫星白云石端元的镁同位素系统学。

元素组成特征

研究人员进一步分析了与龙宫星离子交换池相互作用的最后溶液的元素组成，发现其主要富含钠离子（Na+）。钠离子作为主要电解质，有助于稳定层状硅酸盐和龙宫星有机物质表面的负电荷。这一发现有助于科学家更好地理解龙宫星表面的物理化学性质及其与水溶液相互作用的方式。

意义与展望

这一研究不仅为理解太阳系早期的化学过程提供了新的视角，也加深了我们对龙宫星地质历史的理解。通过镁同位素的研究，科学家们可以更精确地重建龙宫星内部的化学变化过程，从而推测出小行星在形成初期可能经历的环境条件。此外，该研究方法也可应用于其他天体样本的研究中，为未来的小行星探测任务提供科学依据和技术支持。

随着更多小行星样本的返回地球，未来的研究将有可能进一步揭示太阳系的早期历史，以及地球和其他行星的形成机制。镁同位素地球化学的研究将继续成为解开这些谜团的关键工具之一。

2018年7月20日，Hayabusa2航天器上的ONC-T相机从6公里高度拍摄了小行星龙宫星的照片（图片来源：JAXA，东京大学， Kochi大学，立教大学，名古屋大学，千叶工业大学，明治大学，会津大学，AIST）。照片B显示了小型携带式撞击器（SCI）制造的人工环形山形成后的景象，并用白色虚线标出了环形山的大致尺寸。照片C展示了第二次接触采样获得的龙宫星样本C0002（总重93.5毫克），该照片是在JAXA样本处理设施的洁净室内使用显微镜拍摄的，在样本分配之前。

更多信息：

Yoshimura, T., Araoka, D., Naraoka, H. et al. Breunnerite grain and magnesium isotope chemistry reveal cation partitioning during aqueous alteration of asteroid Ryugu. Nat Commun 15, 6809 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50814-y