隕石中原始同位素組成異常
正文
整個太陽系是由同一星雲凝聚形成的。按傳統的看法,在行星形成之前,星雲中各種來源的核合成成分發生有效 的混合和同位素均勻化作用,結果形成一個同位素“均一”的太陽系。如136Ba是s過程產物,而大多數135Ba是r過程產物。135Ba和136Ba生成區域極不相同(見元素起源)。然而地球、月球和隕石的135Ba/136Ba比值之差小於0.01％，被認為是均一的。這種均一的同位素成分稱為“正常”組分。太陽系有 3個已知過程可以引起正常組分的同位素豐度發生變化：①熱擴散、化學反應等過程產生的分餾效應；②放射性核素的衰變；③宇宙線引起的核反應。20世紀70年代以來，對隕石中同位素組成的研究，發現了不尋常的同位素豐度變化，這種變化不能用上述3個過程加以解釋,就稱之為“原始同位素組成異常”。這種異常可以根據與一定元素的太陽系同位素豐度之偏差加以確定。發現史 1972年布萊克 (D.C.Black)在對碳質球粒隕石進行分段加熱實驗中，首先發現了氖(Ne)的同位素異常成分(Ne-E)，並提出了太陽系外成因的假設。當時由於Ne在隕石中的豐度極低而未引起重視。1973年，克萊頓 (R.N.Clayton)等人在阿連德等碳質球粒隕石中發現氧同位素異常，這才引起人們對隕石中原始同位素組成異常的強烈關注。氧同位素異常表明，太陽系的一種主要元素的同位素組成是不均一的。這一發現是太陽系物質同位素組成研究方面的一項重大突破。以後還發現了氙(Xe)同位素異常，又在阿連德碳質球粒隕石包體Cl和EK1-4-1中發現了彼此相關的多種元素的同位素異常。
同位素異常成分 隕石中已發現的原始同位素異常成分有：
氖-E(Ne-E) 隕石中Ne有5種組分,Ne-E是一種富重Ne同位素(22Ne)的成分，或許是一種純22Ne組分（見隕石中的稀有氣體）。
氧 在地球和隕石物質中，18O/16O的值不同,這種不同長期被認為是質量分餾效應引起的。碳質球粒隕石礦物氧同位素組成研究表明，C2、C3和C4型隕石物質 16O的比例比地球物質要高些,最多可高5％。因其差異不與同位素的質量差成正比，故不是來源於化學分餾作用。克萊頓等認為隕石中的氧是由一個類似於地球氧同位素組成的正常組分和另一個接近於純16O的異常組分組成的混合物。後者應是一種核效應的產物。但它不是在隕石原處發生的核效應，因為沒有任何一個氧同位素含有天然放射性母體。同時，也未曾觀察到宇宙線照射所引起的其他核效應。因此，氧同位素異常被認為是由於原始不均一性引起的異常。這種異常不僅反映在同一隕石的不同礦物和包體之間，而且在不同隕石之間也呈現出這種異常。隕石中額外的16O的最合理來源是超新星爆炸，使He燃燒生成的16O加入到正在凝聚的太陽星雲中。
已滅絕的放射性核素 有4種現在已滅絕了的放射性核素存在於早期太陽系：129I(半衰期1.7×107年)、244Pu(半衰期8.2×107年)、26Al（半衰期7.3×105年）和107Pd（半衰期6.5×106年）。隕石保存過剩的129Xe，是129I早期存在於隕石中的證據,隕石形成時的129I/127I比值約為10-4。但244Pu存在的證據是它的自發裂變產物131Xe、132Xe、134Xe和136Xe，隕石形成時的244Pu/238U比值為0.015。通過隕石中存在過剩的26Mg確證26Al存在於早期太陽系，隕石形成時的 26Al/27Al比值為5×10-5。107Pd可由107Ag過剩確定其存在，隕石形成時的107Pd／108Pd比值為2×10-5。由244Pu和129I獲得的太陽系形成間隔年齡為 108年量級。但由 26Al獲得的最後核合成事件與太陽系固體凝聚之間的時間間隔在 106年量級。也就是前太陽星雲開始塌縮和隕石形成之間的間隔由 108年減少到106年量級。短壽命的26Al不可能活到108年。因此，有理由認為在隕石形成之前很短暫的時間內，必然有新合成的某些物質（包括26Al、16O等）通過超新星爆發加到前太陽星雲中。
氙 碳質球粒隕石中俘獲的氙同位素組分不僅富集重氙同位素 131Xe、132Xe、134Xe、136Xe，而且也富集輕氙同位素124Xe、126Xe和128Xe，被稱為Xe-X。但太陽系內已知過程不可能產生Xe-X這樣的同位素豐度模型，它應是一種原始同位素異常。此外，還發現了一種氙的同位素組分，被稱為Xe-S，它是在高溫加熱時隕石釋放出來的一種微量組分。它富集S過程的產物 128Xe、130Xe和132Xe，是存在於前太陽塵埃顆粒中的一種原始同位素組分。
阿連德隕石包體C1和EK1－4－1 主要是由粗粒黃長石、輝石和尖晶石等礦物晶體組成的兩種特殊包體。在這兩種包體中，幾乎所有被分析過的元素（如 O、Mg、Si、Ca、Sr、Ba、Nd和Sm）都顯示同位素組成異常。重元素主要表現為核效應的影響，輕元素同時顯示質量分餾效應和核效應的影響。
①氧、鎂和矽 EK1－4-1和C1中不同的礦物含有不同的氧成分。C1的異常值Δ（25Mg/24Mg）約為30‰，Δ(26Mg/24Mg)約為59‰，Δ(26Mg/24Mg)／Δ(25Mg/24Mg)約為2；EK1-4-1的Δ(25Mg/24Mg)約為20‰，Δ(26Mg／24Mg)約37‰。C1和 EK1-4-1的Δ（29Si／28Si）依次為12.5‰和7.5‰,Δ(30Si/28Si)依次為23.5‰和12.5‰；EK1-4-1的Δ(30Si/28Si)/Δ(29Si/28Si)約為2。兩個包體中的O、Mg和Si同位素成分均受核效應和分餾效應的影響，C1的分餾效應比EK1-4-1大，但核效應的影響比EK1-4-1小。
②鈣、鍶和鋇 以地球、月球和隕石樣品的平均比值44Ca/42Ca作歸一化標準，扣除分餾效應後，對EK1-4-1，42Ca的過剩值為1.7‰，48Ca為14‰,44Ca/40Ca的值比地球值大0.72‰;C1包體的48Ca為-2.7‰。用86Sr/88Sr作歸一化標準，EK1-4-1和C1的84Sr分別為-3.8‰和-1‰。表明此包體中可能存在S過程中產生的原始 86Sr過剩。選擇S過程核素的比值 134Ba／138Ba作歸一化標準，EK1-4-1中135Ba和137Ba的過剩值分別為 1.3‰和 1.2‰。取130Ba和132Ba為地球豐度。C1僅135Ba顯負異常，數值為-0.2‰。
③釹和釤 C1中（Nd）是正異常。釤（Sm）同位素144Sm過剩1.5‰。EK1-4-1的144Sm 過剩3.4‰, 143Nd、145Nd、146Nd、148Nd和150Nd的異常值分別為+2.89‰、-0.21‰、-2.2‰、-2.07‰和-3.84‰。
其他元素可能存在的同位素異常 一些碳質球粒隕石中13／12C比值變化達9％，隕石中 15N／14N比值變化達24％，但由於碳和氮僅有二種穩定同位素，難以區分質量分餾效應和核效應對其同位素比值的影響。在阿連德隕石的酸浸殘渣中發現 33S比地球值高0.1％。阿連德隕石中Te同位素組成顯示很大異常，與Xe相似,具“V”型異常特徵,被稱為Te-X。一些隕石中202Hg/196Hg比值變化很大,從15％到22％。地球、隕石和月球物質的238U/235U=137.8，但在某些隕石中這個比值變化很大,從106.8到137.5。一些隕石中酸浸殘渣238U/235U=40.2。
隕石中原始同位素異常目前有如下幾種解釋：①由於來自原始太陽的高能粒子流對原始太陽系不同部位的照射不同所致；②在太陽系形成前幾百萬年鄰近超新星爆炸產物的注入；③多個超新星爆炸產物的注入；④星際介質中不同成分的前太陽星雲塵埃顆粒的不完全蒸發，這種成分可能起因於不同的區域（紅巨星、行星星雲、新星或超新星）。
研究的意義 隕石中原始同位素異常的發現，對建立原始太陽星雲模式和天體物理學問題有深遠意義：它改變了太陽系物質同位素組成均一化概念，對闡明核合成理論有很大促進；太陽系的起源和演化理論將經受原始同位素異常觀測結果的檢驗，同時也為探索太陽系物質來源，太陽系的形成、演化提供了新線索；原始同位素異常的發現也衝擊著宇宙年代學計時法的一個基本原理，即所假定的太陽系物體都是由同一個同位素均一化物源演化而來，具有相同的原始同位素比值的概念；原始同位素異常還可作為一種示蹤劑，去了解行星體形成的物源，不同行星體之間的成因聯繫和熱演化等。
