中国科大金属稳定同位素实验室JGR: Planets | 康晋霆、黄方等：灶神星铁同位素分馏：岩浆洋主导的早期演化

① 从“岩浆洋”说起：行星演化的关键一站

在太阳系形成的最初几百万年里，年轻行星体的“童年”往往以一场大规模熔融开始，行星科学家称之为“岩浆洋”。岩浆洋是行星分异的“总开关”：它决定了行星如何形成金属核、硅酸盐地幔与最初的壳层。月球岩浆洋是研究最透彻的案例：漂浮的斜长石堆晶形成了月球高地，残余堆晶体随后二次熔融，产生月海玄武岩。相比之下，小行星级别的岩浆洋是否存在、如何演化，证据要零散得多。

灶神星（Vesta）正是检验小行星岩浆洋假说的天然实验室。它是主小行星带中仅次于谷神星的第二大天体，直径约525公里，完整保留着核-幔-壳的分层结构，是内太阳系目前已知最古老的分异型天体(图1)。

图1 灶神星岩浆洋概念图：炽热的全球熔融表面与核-幔-壳分层结构。

② 灶神星：太阳系里的古老星子与HED陨石

我们对灶神星的了解，相当一部分来自降落于地球上的HED族陨石（玄武质无球粒陨石 eucrite、古铜钙长质无球粒陨石 diogenite，以及二者混合的角砾岩 howardite）。光谱、地球化学与岩石学证据表明，这些陨石很可能来自于灶神星。其中，eucrite代表灶神星上星壳的玄武质熔岩，diogenite则是星壳下部或者上地幔的超基性堆晶岩。它们恰好对应岩浆洋结晶的残余熔体与堆晶两个端元，是研究岩浆洋过程的理想样品组合。但关于灶神星经历的究竟是全球岩浆洋，还是仅数十公里厚的浅层熔融（部分分异），至今仍有争议。

③ “微小但真实”的Fe同位素分馏信号

铁同位素对岩浆过程非常敏感：矿物结晶时，辉石等矿物倾向于优先带走轻同位素，使残余熔体逐步富集重同位素。因此，铁同位素可以像“指纹”一样记录岩浆洋结晶的历史。

作者对25块eucrite和13块diogenite开展了高精度铁同位素分析。结果显示：eucrite的δ⁵⁶Fe变化范围为-0.044‰至0.073‰，平均值0.020±0.013‰（2SE，N=25）；diogenite则为-0.051‰至0.018‰，平均值-0.004±0.011‰（2SE，N=13）。两类陨石的平均值差异只有约0.02‰，小于现有的分析精度。但如果纳入文献数据后，统计检验表明两类陨石间的铁同位素差异在95%置信水平上显著（p=0.002），首次说明eucrite与diogenite之间存在系统性铁同位素偏差（图2）。

图2 不同行星储库铁同位素组成。Eucrite与Diogenite中空心点代表过去文献发表数据。EC：顽火辉石球粒陨石；OC：普通球粒陨石；CC碳质球粒陨石。

④ 岩浆洋结晶：铁同位素分馏的最终解释

作者根据亲铁元素含量以及中等挥发性元素含量，排除了陆地风化、冲击挥发、核幔分异的影响，并采用两种不同岩浆洋初始成分开展MELTS热力学模拟，重现灶神星岩浆洋结晶过程，所有模拟情景都给出同一结论：残余熔体的铁同位素逐步变重，堆晶矿物则保持相对偏轻，这与eucrite（残余熔体）比diogenite（堆晶）更重的观测一致（图3）。模型还显示，在灶神星的还原性环境（氧逸度约ΔIW-2至ΔIW）下，部分熔融产生的铁同位素效应可以忽略，进一步强化了岩浆洋结晶解释。

图3 不同初始成分的灶神星岩浆洋铁同位素与FeO含量演化模拟。红线代表岩浆洋熔体，蓝线代表岩浆洋堆晶体。AW与BD代表两种不同的初始岩浆洋成分。

⑤ 灶神星与月球：同一过程，两种结局

月球与灶神星都经历过岩浆洋，但留下的铁同位素记录却大相径庭：记录了月球岩浆洋堆晶体组成的月海玄武岩δ⁵⁶Fe变化可达约0.3‰，月球高地岩石甚至可达约0.8‰；而灶神星全部样品的总变化仅约0.1‰。我们提出了三种可能的机制来解释行星间的演化差异：

（1）辉石结晶起点不同。灶神星岩浆洋中辉石约在60%结晶程度后才开始结晶，晚于月球岩浆洋的50%以前，而辉石正是带走轻铁同位素的关键矿物，结晶越早、分馏越强。

（2）行星Ti含量不同。灶神星岩浆洋可能具有低的初始Ti含量，钛铁矿结晶少，可能未曾发生过类似于月球岩浆洋的重力翻转过程。这一过程可以将重铁同位素储库带入月海玄武岩的源区。

（3）冷却速率不同。灶神星比表面积更大，岩浆活动在太阳系形成后约1000万年内即告终止；而月球火山活动延续至约1.2亿年前，缓慢冷却为岩浆洋堆晶体再熔融提供了条件，因此月球岩石的铁同位素分馏可能在多期次的结晶-熔融过程中被不断放大。

总之，决定一颗行星铁同位素组成的，不只是有没有岩浆洋，更是岩浆洋的规模、成分与冷却历史。行星体大小、初始成分与热历史的差异，最终塑造了类地行星的地球化学多样性。

文章信息

本文第一作者及通讯作者为中国科学技术大学的康晋霆副教授；合作作者包括硕士生侯正宇、杨皓辰、博士生唐雪、中科院紫金山天文台徐伟彪研究员及中国科学技术大学黄方教授。本研究获得了深空探测实验室侯增谦院士工作站（202605e15030006）、国家自然科学基金项目（42473008）、安徽省自然科学基金（2408085J021）、中国科学技术大学重要方向培育基金（YD2080002017）、中央高校基础研究基金（WK3410000026）支持。

文章信息：Jinting Kang, Zhengyu Hou, Haochen Yang, Xue Tang, Weibiao Hsu, Fang Huang. Iron Isotope Fractionation on Vesta Driven by Magma Ocean Process, JGR Planets, 131, 10, 2026.

论文链接：http://dx.doi.org/10.1029/2026JE009894

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