通过奇克苏鲁布撞击球粒中的钾（K）和铷（Rb）同位素记录的湍流对流单元中蒸汽演化的特征

《Chemical Geology》：Signatures of vapor evolution in turbulent convection cells recorded by K and Rb isotopes in Chicxulub impact spherules

通过分析哥戈尼亚岛球状体的钾和铷同位素特征，结合镁同位素数据，揭示了 Chicxulub 喷发柱中蒸发和冷凝过程的物理化学条件，发现球状体主要在 2520–2130 K 的温度范围内通过再冷凝形成，并经历了二次蒸发。

　　

Courtney Jean Rundhaug|Martin Schiller|Martin Bizzarro|Zhengbin Deng|Hermann Dario Bermúdez

哥本哈根大学Globe研究所恒星与行星形成中心，?ster Voldgade 5–7，1350 Copenhagen K，丹麦

摘要

白垩纪-古近纪边界（约6600万年前）记录了希克苏鲁伯小行星撞击事件，这是地球历史上一个关键事件，对地球表面产生了广泛影响。虽然这次撞击的产物已经得到了广泛研究，但撞击产生的羽流的热力学特性以及某些撞击物质的形成机制仍不清楚。本研究利用戈尔戈尼拉岛撞击球粒的K和Rb同位素特征，结合已发表的δ²⁵Mg数据，探讨了希克苏鲁伯撞击羽流中间部分的条件，以追踪喷射物分散过程中的蒸发和凝结过程。δ⁴¹K和δ⁸⁷Rb的特征值分别为?1.18?±?0.04‰至0.43?±?0.09‰和??0.35?±?0.01‰至0.07?±?0.03‰（相对于UCC）。结合δ²⁵Mg数据，这些变化表明球粒在形成过程中经历了蒸发和凝结。一个涉及Mg和K的分数凝结模型表明，球粒在约2520–2130?K的温度范围内重新凝结，凝结过程结束时形成了K和Rb饱和的蒸汽。δ⁴¹K、δ⁸⁷Rb和δ²⁵Mg的数据表明，球粒主要是通过重新凝结形成的，并由于湍流对流单元中的压力降低和温度波动而发生了二次蒸发。为了解释它们的同位素特征，需要假设K和Rb的凝结和蒸发是分离进行的。虽然Mg同位素可以追踪球粒的整体形成过程，但K和Rb同位素反映了它们形成过程中的微观物理化学变化。这些结果突显了湍流对流单元环境在撞击物质中的热力学复杂性，并强调了将MVE同位素数据与难熔元素同位素结合起来的必要性，以更好地理解各种撞击物质的形成机制。

引言

20世纪90年代初，在墨西哥尤卡坦半岛海岸附近发现了一个巨大的撞击坑（Hildebrand等人，1991年）。这次撞击事件被称为希克苏鲁伯撞击事件，对地球表面产生了深远影响。自这一发现以来，从撞击点11000多公里外的地方也回收并分析了撞击产物（Alvarez等人，1980年；Smit和Hertogen，1980年；Hildebrand等人，1991年；Sharpton等人，1992年；Swisher等人，1992年；Trinquier等人，2006年；Xuemin等人，2024年）。然而，希克苏鲁伯撞击羽流的热力学特性以及其他大型撞击事件产生的羽流特性仍不甚明了。这是因为如此大规模的撞击事件难以通过实验和模拟来重现。因此，一些撞击产物的形成机制，如撞击球粒，仍未完全被理解。

一种有助于更好地理解撞击球粒形成环境的工具是中等挥发性元素（MVEs）的质量依赖性同位素特征，这些元素在太阳条件下的50%凝结温度（T₅₀）介于665?K至1335?K之间（Lodders，2003年；Wood等人，2019年）。大多数希克苏鲁伯撞击物质都显示出水蚀变的证据，最常见的形式是脱玻化产物（Bermúdez等人，2019年；Simpson等人，2020年）。由于K和Rb具有高度流动性的特性（Middelburg等人，1988年），只有那些几乎没有或完全没有水蚀变的原始材料才能利用这些元素的同位素特征。许多MVEs的行为也受温度、氧逸度、总蒸汽压变化的影响（Ebel，2004年；Sossi等人，2019年），因此它们的同位素特征常被用作蒸发或凝结等过程的示踪剂，尤其是在高能量事件的背景下。在这方面特别有用的两种元素是Rb和K。K和Rb在实验中是非常有用的分析对象，因为它们的1%蒸发温度相差近400?K（Sossi等人，2019年）。特别是，Rb和K常用于研究太阳系物质中挥发性元素的来源（例如，Nebel等人，2011年；Wang和Jacobsen，2016年；Pringle和Moynier，2017年；Nie和Dauphas，2019年；Bloom等人，2020年；Tian等人，2020年，Tian等人，2021年；Dauphas等人，2022年；Hu等人，2022年，Hu等人，2023年；Nie等人，2023年），以及评估硅酸盐熔体中的扩散性和蒸发行为（例如，Yu等人，2003年；Richter等人，2011年；Sossi等人，2019年；Zhang等人，2021年）。先前的研究还利用K同位素研究了玻璃陨石中的凝结和蒸发、挥发性损失以及撞击物质的形成过程（例如，Herzog等人，2008年；Humayun和Koeberl，2004年；Jiang等人，2019年；Koefoed等人，2024年；Magna等人，2021年）。

在这项研究中，分析了来自哥伦比亚戈尔戈尼拉岛K–Pg边界的希克苏鲁伯撞击球粒，这些球粒之前已经对其Ca、Mg和Fe同位素组成进行了研究（Rundhaug等人，2025年），进一步利用不同行为元素的同位素系统学来研究希克苏鲁伯撞击羽流的热力学过程。希克苏鲁伯撞击羽流的中间部分（由熔融和重新凝结的液滴组成；Bermúdez等人，2025年）可能形成了此处分析的球粒，因为它们距离希克苏鲁伯撞击坑的距离适中（1000–5000?km；Schulte等人，2009年；Bermúdez等人，2016年）。重要的是，所研究的球粒群体同时具有近端球粒和远端球粒的特征（Bermúdez等人，2025年），根据岩石学特征，这些球粒表现出来自熔融液滴和蒸汽凝结的双重起源。许多球粒中存在的特征表明它们起源于溅射熔化过程，包括气泡（表明挥发性物质的释放）和层状结构（可能反映了熔融硅酸盐的剧烈混合）。

撞击羽流的总体组成主要由目标物质构成，在这种情况下是尤卡坦半岛下方的上地壳（UCC）或基底岩石，以及碳酸盐、硬石膏和白云岩平台。这种结晶基底岩石被归类为长英岩、花岗闪长岩和片麻岩（Ward等人，1995年；Tuchscherer等人，2005年）。一个富含碳的撞击体（可能是CR型或CM型球粒陨石）也对羽流的组成有显著贡献，占比约为0.05%至25%（Goderis等人，2013年；Kyte，1998年；Kyte等人，1980年；Quitté等人，2007年；Trinquier等人，2006年；Fischer-G?dde等人，2024年）。此外，最近的一项结合μ²⁶Mg和μ⁴⁸Ca同位素特征的研究表明，此处研究的球粒中含有约17–25%来自CM型或CO型撞击体的成分（Rundhaug等人，2025年），这与使用铱浓度和核合成Cr同位素对戈尔戈尼拉岛球粒进行的估计基本一致（Kyte等人，1980年；Kyte，1998年；Quitté等人，2007年；Trinquier等人，2006年）。

对戈尔戈尼拉岛撞击球粒的研究仅发现了轻微的δ²⁵Mg和δ⁵⁶Fe同位素特征，表明所分析的球粒群体起源于重新凝结（Rundhaug等人，2025年）。将这些数据与同一球粒的Rb和K同位素组成结合起来，将扩大使用这些球粒所能代表的羽流条件范围。因此，这项工作重点在于更好地理解希克苏鲁伯撞击羽流的物理化学性质和过程，通过将新的K和Rb同位素数据与之前分析的同一球粒数据结合起来，从而专注于影响硅酸盐蒸发和凝结的羽流行为（Nie等人，2021年）。还利用这些元素测试了球粒形成的中间理论（即通过重新凝结或溅射熔化）。

材料与方法

共分析了来自哥伦比亚太平洋戈尔戈尼拉岛K–Pg边界岩石样本中的28个球粒的K同位素组成和21个球粒的Rb同位素组成。Rundhaug等人（2025年）详细描述了样本选择和消化过程。一些球粒使用扫描电子显微镜（Zeiss Evo 15配备Bruker Quantax EDS）进行了成像，以更好地了解它们的岩石学特性。

结果

成像的球粒显示出不同程度的层状结构，反映了多种硅酸盐材料的混合以及快速淬火过程（图1；Engelhardt等人，1995年）。球粒中还常见气泡，这是由于从熔体中快速释放气体形成的。这一特征是由于在从羽流中喷射出来后，液体球粒在大气飞行过程中目标岩石中的挥发性物质（如水和碳酸盐）被淬火所致。

希克苏鲁伯撞击球粒的δ⁴¹K和δ⁸⁷Rb同位素特征

通过将收集的数据与Rundhaug等人（2025年）报告的相同样本的δ²⁵Mg同位素数据进行比较，可视化了戈尔戈尼拉球粒的δ⁴¹K和δ⁸⁷Rb同位素特征在宽温度范围内的变化。显然，δ⁴¹K和δ⁸⁷Rb的同位素分馏模式与δ²⁵Mg同位素不同（图3）。除了一个球粒外，所有球粒都显示出轻的δ²⁵Mg同位素组成，表明几乎所有球粒都经历了不完全的重新凝结。

结论

在这项研究中，分析了来自希克苏鲁伯撞击羽流的戈尔戈尼拉岛撞击球粒的δ⁴¹K和δ⁸⁷Rb同位素组成，以更好地理解这一热力学复杂的系统。总结结果和解释如下：

1.

球粒经历了重新凝结和蒸发过程，这从它们的δ⁴¹K和δ⁸⁷Rb特征中可以看出来。这些数据与Rundhaug等人（2025年）提供的同一球粒的δ²⁵Mg特征相结合，进一步阐明了其含义

CRediT作者贡献声明

Courtney Jean Rundhaug：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法学，研究，正式分析，数据管理。Martin Schiller：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目管理，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。Martin Bizzarro：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，正式分析。Zhengbin Deng：

资金

样本收集的资金由Paleoexplorer SAS提供。这项研究的资金来自欧洲研究委员会（ERC Consolidator Grant Agreement 101124391）、嘉士伯基金会（CF20_0209）和Villum Fonden（00025333）对M.S.的支持，以及嘉士伯基金会（CF18_1105）、欧洲研究委员会（ERC Advanced Grant Agreement 833275）和Villum Fonden（54476）对M.B.的支持。

未引用参考文献

Johnson和Melosh，2012

Parsons等人，2009

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢哥伦比亚国家公园允许我们进入戈尔戈尼拉岛国家公园，感谢M. L. Steinmeyer在安装GGchem代码方面的帮助，感谢H. Wang就热化学建模中的元素凝结问题提供的宝贵讨论，感谢R. Verberne在SEM数据获取方面的支持，以及感谢K. K. Larsen在自动色谱程序方面的协助。