水星如何形成其石墨壳和核心

这颗年轻的行星以全球岩浆海洋和液态金属核心为特征，随后冷却并分化，形成了现在的内部结构。图片来源：列日大学 / B.Charlier

（神秘的地球uux.cn）据列日大学：随着贝皮科伦坡任务准备进入前往水星旅程的最后阶段，列日大学和鲁汶大学的研究人员进行了一系列研究，揭示了这颗最靠近太阳的行星演化的早期阶段。研究人员利用实验岩石学，在实验室中重建了水星核心的形成、岩浆海洋的结晶以及地幔的形成过程。这些研究发表在《地球与行星科学快报》、《自然通讯》和《地球化学与宇宙化学进展》上。

类地行星（水星、金星、地球和火星）是超过四十亿年的演化产物，这些演化始于围绕年轻太阳的盘子的吸积。在进化的早期阶段，释放的热量使这些行星融化，形成了被称为岩浆海的现象。

这一关键阶段决定了金属核心与地幔之间元素的分布。随着结晶，这片海洋构造了固体地幔，地幔的部分熔融随后生成形成地壳的岩浆。也正是在这个阶段，初始大气层可能形成。

迄今为止，尚未从水星采集任何样本，也没有陨石与其联系。因此，我们对其成分的了解依赖于望远镜观测以及美国探测器Mariner 10（1973年）和MESSENGER（2011年）的数据。

然而，为了重建这颗行星的历史，科学家们借助了一个专业学科：实验岩石学。这一地质学分支使科学家能够在实验室中复现四十多亿年前地球内部的温度、压力和化学条件，然后分析构成行星各层的矿物、金属和气体。

正是通过这些技术，由伯纳德·沙利耶（ULiège）和奥利维耶·纳穆尔（Olivier Namur，库鲁文）领导的团队进行了一系列高压高温实验。他们模拟并追踪了金属核心与地幔硅酸盐岩浆分离过程中碳的行为，温度约在1250°C（2,282°F）至2,170°C（3,938°F）之间，且压力相当于行星深处的压力。

这是ESA/JAXA贝皮科伦坡任务于2025年1月8日拍摄的一系列图像之一，当时航天器飞越该星球进行第六次也是最后一次引力助推机动。飞越水星北极后，航天器清晰地看到了水星阳光下的北半球。图片来源：欧洲航天局/BepiColombo/MTM

从获得的结果中，团队推断碳的行为高度依赖于环境的氧化态，该氧化态由氧逸出率（fO）测量2).“在相对氧化的条件下，碳具有强烈的亲铁性，”乌列日大学地质学家沙利耶解释道。

换句话说，碳偏好金属，因此进入核心。但在汞特有的高度还原条件下，它变得更不亲铁（被金属吸引），因此留在硅酸盐岩浆中，最终结晶为石墨。”

基于这些实验，团队重建了碳在水星核心、地幔、地壳和原始大气层之间的分布情况。通过将这些结果与MESSENGER探测器数据计算出的石墨地壳厚度进行比较，他们能够确定行星形成时的环境条件——毫无疑问，这里的氧气极为稀缺。

“在这种极端条件下，石墨太轻无法下沉;它漂浮在岩浆海表面，积累形成原始地壳，“同为地质学家的纳穆尔补充道。“该模型还原了约40–120米厚（130–390英尺）的石墨地壳，与观测中归于水星表面的富碳层（质量比1%至3%）相符。”这块原始地壳随后被陨石撞击和火山活动扰乱并重新分布，火山活动构成了该行星较新的地壳。

信使号的大地测量数据还表明，这个异常巨大的核心（约占地球质量的70%）必须包含数%的轻元素，以弥补其密度赤字。纳穆尔继续说：“碳曾被提议作为候选方案。”“然而，在允许石墨地壳形成的条件下，研究显示核心碳含量依然较低——低于每克5000微克，也就是不到0.5%。如此浓度远低于观察到的赤字。”

因此，核心的轻元素主要由硅和少量硫组成。这些元素还有另一个特性：它们显著降低铁的熔点，这可能解释了为何水星核心至少部分保持液态45亿年——这是维持其磁场的必要特性。

通过将水星极端的化学还原与其石墨地壳及核心结构联系起来，这项研究为理解其他高度还原天体提供了有用的框架：原始且质量更重的原始水星;假设中的“超级水星”;某些富含碳的系外行星;以及早期地球，主要由简化材料建造。

“未来的观测，尤其是贝皮科伦坡等任务，可以确认并量化石墨作为水星表面的重要相位，”查利尔总结道。

卢晓峰等，《地幔融化与还原基性岩浆中硫影响的水星岩浆海洋动力学》，《地球与行星科学快报》（2026年）。DOI：10.1016/j.epsl.2026.120123

Olivier Namur 等，《汞行星的碳分布：从岩浆海洋演化到石墨地壳及岩芯组成》，《自然通讯》（2026）。DOI：10.1038/s41467-026-75458-y

Fabrizio Saracino 等，《水星岩浆海的结晶及其原始地幔结构的形成》，《地球化学与宇宙化学进展》（2026年）。DOI： 10.33063/agc.v2i1.1003