????磷是DNA與RNA的必需組分，其地球化學(xué)行為對行星分異和生命演化研究具有重要指示意義。作為典型的中等親鐵元素，磷的金屬/硅酸鹽分配系數(shù)對壓力（P）和溫度（T）極為敏感，是限定早期巖漿洋熱力學(xué)條件的關(guān)鍵參數(shù)。現(xiàn)有研究表明：硅酸鹽地球（BSE）的磷豐度出現(xiàn)明顯虧損（圖1），其虧損機(jī)制被認(rèn)為與核幔分異有關(guān)，即在核幔分異過程中，磷在高壓下的親鐵性導(dǎo)致大量的磷進(jìn)入地核。然而，在核幔分異所對應(yīng)的高壓條件下，磷的分配行為至今仍未厘清。并且現(xiàn)有低壓（<20 GPa）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，磷的擬合結(jié)果呈現(xiàn)多種價(jià)態(tài)。這種價(jià)態(tài)分歧外推至高壓區(qū)間，顯著放大了分配系數(shù)的不確定性。

圖1：以CI球粒隕石為基準(zhǔn)，經(jīng)Mg歸一化的硅酸鹽地球元素豐度隨50%冷凝溫度的變化。

圖2：前人實(shí)驗(yàn)及本研究不同價(jià)態(tài)磷在金屬和硅酸體系中的分配系數(shù)。

?????針對上述問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生管世東在導(dǎo)師王煜研究員和杜治學(xué)研究員的指導(dǎo)下，聯(lián)合美國普林斯頓大學(xué)鄧杰團(tuán)隊(duì)，采用第一性原理分子動力學(xué)方法，系統(tǒng)考察了10–135 GPa、3000–5000 K條件下三種價(jià)態(tài)（+5、+2、0價(jià)）磷的分配特征。結(jié)果表明，各價(jià)態(tài)分配系數(shù)均隨壓力出現(xiàn)展現(xiàn)明顯升高趨勢（圖2）。在高壓端元，磷的分配系數(shù)極高——這意味著早期增生階段進(jìn)入地球的磷，幾乎盡數(shù)被地核“吸走”，從而為核幔分異導(dǎo)致BSE磷虧損提供了直接證據(jù)。

圖3：（a）單階段及（b）多階段增生模型

?????結(jié)合早期地球增生模型，傳統(tǒng)單階段模型假設(shè)地球僅經(jīng)歷一次核幔分異。模擬表明，在該模型對應(yīng)的核幔分異壓力（圖3a灰色區(qū)）下，磷的分配系數(shù)過高，與BSE觀測值（紫色區(qū)）不符。為達(dá)到現(xiàn)階段BSE中磷的觀測值，必須考慮多階段增生模型，并引入末期大撞擊的化學(xué)不平衡機(jī)制：地球經(jīng)歷多次核幔分異，而最后數(shù)次巨型撞擊因規(guī)模大、混合時(shí)間短，其金屬核無法與周圍地幔充分平衡，直接并入原始地核。進(jìn)一步研究表明，若末期撞擊體已分異，則需至少兩次完全不平衡事件（圖3b）；若撞擊體保持未分異，則單次約6 %地球質(zhì)量的碳質(zhì)球粒隕石（CC）胚胎撞擊即可滿足BSE磷觀測約束。本研究首次將多價(jià)態(tài)磷的高壓分配行為量化，為非平衡增生模型提供了關(guān)鍵證據(jù)。

????該成果于近日發(fā)表在國際地學(xué)期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上，本研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)以及廣東省自然科學(xué)基金的資助。

論文信息：Guan,SD (管世東),Luo,HY (羅海洋),Du,ZX (杜治學(xué)),Deng,J (鄧杰),Wang,Y* (王煜),2025. Ab initio?simulations on metal-silicate partitioning of phosphorus during Earth’s core formation,Geochimica et Cosmochimica Acta?411,39-49,https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.11.017.