近日，中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压院重点实验室翟双猛课题组利用高温高压实验技术，在3和5 GPa压力及1173~1873 K的温度条件下，开展了Fe-S-P三元体系的高温高压实验研究，建立了Fe-S-P三元体系的相图，限定了月核中轻元素硫和磷的含量，并探讨了月球固态内核形成机制的演化。
行星核的化学成分和结构状态是理解行星形成和演化的关键。陨石学和矿物物理学相关证据表明月核除含有金属Fe和Ni外，还含有一定量的轻元素，这些轻元素影响着月核的物理化学性质、状态和演化。硫通常被认为是月核中最可能存在的一种轻元素。由于月幔岩石中磷的含量相对于球粒陨石有明显的亏损，磷可能富集在月核之中。二元或三元合金相图能够较好地限定固相和液相金属中轻元素的含量。基于Fe-S-P三元体系的高温高压实验研究结果，建立了Fe-S-P三元体系的相图和磷在固相铁和液相铁中分配模型。基于月球核幔边界处的温度，根据5 GP条件下的Fe-S-P相图估算出液态外核中（S+P）的总量为10.12-12.15 wt%，根据质量平衡模型，计算出月核中（S+P）的总量为5-5.95 wt%（图1a）。另一方面，根据磷的分配系数、磷的分配模型以及月核中磷的含量（Yin et al., 2019），进一步计算出固态内核中含有0.05 wt% S 和 0.07 wt% P，液态外核中含有0.54 wt% P 和 6.08-7.15 wt% S。
图1 月核中(S+P)的含量和液相线、绝热温度梯度对月球内核结晶方式的约束
Williams（2009）指出当绝热温度梯度dTa/dP大于液相线温度梯度dTl/dP时，行星的固态内核将以“从上而下”（top-down）的形式生长；反之，行星的固态内核将从底部以“自下向上”（bottom-up）的机制生长。由于目前缺少Fe-S-P月核的绝热温度数据，研究团队通过对比Fe-S-P体系与Fe-S和Fe-P体系，发现其液相线温度梯度的曲线与Fe-S体系的绝热温度梯度的交点为3.5-4.5 wt% (S+P)oc，与Fe-P体系的绝热温度梯度的交点为4 wt% (S+P)oc（图1b）。因此，含有0.3 wt% P和2.98-3.45 wt% S的原始月核，首先将以“自下向上”的方式固化生长出一个较小的金属固态内核，在这一过程中，由于固相金属铁无法溶解足够多的S和P，轻元素S和P将从固态内核中释放出来进入液态外核，液态外核中S和P的丰度将逐渐增加。当外核中的（S+P）总量超过4.5 wt%时，内核的形成机制将从“自下而上”转换成“从上而下”，最终导致凝固的铁将以下雪（iron snow）的方式沉淀到已凝固的固态小核表面，进一步生长成较大的固态内核（图2）。
图2 月球固态内核形成机制的演化
上述研究成果最近发表在国际地学著名期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上。论文第一作者为中国科学院地球化学研究所翟宽博士研究生，通讯作者为中国科学院地球化学研究所尹远博士和翟双猛研究员。该研究得到了国家自然科学基金项目（41873073）、中科院战略性先导科技专项（B类）（XDB41000000）等的资助。
论文信息：Zhai K., Yin Y., Zhai S. (2022) New constraints on the abundances of phosphorus and sulfur in the lunar core: High-pressure and high-temperature experimental study of the Fe-S-P ternary system. Geochim. Cosmochim. Acta 334, 1-13.
（高压室 翟双猛课题组/供稿）