地球的元素丰度
发布网友
发布时间：2022-05-14 03:23
共1个回答
热心网友
时间：2024-03-16 07:41
(一)地球元素丰度的研究方法
地球元素丰度的研究方法很多,目前应用比较广泛的有三种:①陨石类比法;②地球模型和陨石类比法;③地球物理类比法。
1.陨石类比法
直接利用陨石的化学成分,经算术平均求出地球的元素丰度。计算时假设:①陨石在太阳系形成;②陨石与小行星带的物质成分相同;③陨石是已破碎了的星体碎片;④产生陨石的星体 (母体),其内部结构和成分与地球相似。
2.地球模型和陨石类比法
在一定的地球模型基础上求出各圈层的质量及比值,然后选择陨石类型或陨石相的化学成分来代表各圈层的元素丰度,最后用质量加权平均法求整个地球的元素丰度。华盛顿(1925)首先用这一方法计算了地球的元素丰度,求出了与现代估算值相当接近的铁元素的地球丰度值(31.82%)。Mason (1966)根据现代地球模型,认为地球的总体成分应基本取决于地幔和地核的成分和相对质量,因为它们共占地球质量的 99%。关于地核和地幔的成分他作出如下假定:①含有5.3%的陨硫铁的球粒陨石的镍-铁相的平均成分可以代表地核成分;②球粒陨石中硅酸盐相的平均成分能代表地幔和地壳的成分。然后,他根据地幔和地壳总质量的67.6%,用质量加权法计算了地球的平均化学成分。因该方法以陨石的硅酸盐相 (silicate phase)、金属相 (metal phase)和陨硫铁相 (trorilite phase)的分析资料为基础,因此又称为SMT法。
3.地球物理类比法
全称为层壳模型地球物理类比法。黎彤等 (1965)首先采用这种计算方法,他在布伦地球模型的基础上划分出地壳 (A)、上地幔 (B+C)、下地幔 (D)和地核 (E+F+G),并将四个圈层的质量分数分别定为 0.4%、27.17%、40.4%和 31.5%,然后根据地球物理资料选择了四个圈层的物质成分。其中地壳元素丰度用他和饶纪龙 (1965)计算的地壳成分;用林伍德的地幔岩代表上地幔;用超基性岩加 20%的铁橄榄岩作为下地幔的成分代表,外核 (E层)采用FeS模型,内核 (F+G层)用金属铁模型,合称为 Fe-FeS模型。他的地球元素丰度尽可能立足于地球自身物质成分和物性模拟试验的基础,并首先提供了地球内部各圈层的元素丰度数据 (黎彤等,1990)。
(二)地球元素丰度及其规律
表1-28 为不同研究者得出的地球平均成分。
表1-28 地球的平均化学成分 单位:wB/%
续表
(据陈骏等,2004)
地球中各种元素和同位素的比值大致与未分异的球粒陨石相匹配 (Misra,2012),假定球粒陨石是地球的构成物质,获得的地球总组成必须接近球粒陨石的平均组成。在满足由地震波推断的密度和弹塑性限定的前提之下,地球的总组成可以通过陨石中金属和硅酸盐分布的计算来获得。例如,Mason (1982)计算的地球总组成建立在如下假定基础上:①地核具有球粒陨石的平均铁-镍组成,包括这些陨石中的FeS的平均含量 (5.3wt%);②由现代地幔加地壳所代表的地球形成地核后的残余硅酸盐部分,称为总硅酸盐地球(BSE),总硅酸盐地球的组成与“平均”球粒陨石的硅酸盐 (加上少量磷酸盐和氧化物)组成相同。但对于何种球粒陨石可以被选作这种平均组成的代表,或者说将陨石组成如何加权平均以获得这种平均组成,学术界尚未达成一致。这有一个更根本的理由反对上述做法。Drake et al.(2002)比较了地球、火星、彗星和各种陨石物质的 Mg/Si和Al/Si比值、氧同位素比值、锇同位素比值以及D/H、Ar/H2O和Kr/Xe等比值,总结道:“在我们搜集到的陨石中,没有发现能够代表与地球的地幔相似的原始物质。”这似乎表明,作为地球的“积木”(building blocks),地球至少一部分是由球粒陨石和无球粒陨石所组成的,但这类陨石样品我们尚未采集到。Zolensky et al. (2006)的研究表明,物质达到地球表面的通量是随着时间而改变的,因此,增生至地球现今的物质可能不完全代表早期太阳系的物质。在不存在认为能够代表未分异原始地球的已知球粒陨石的情况下,地球总组成的估算是一个很难的任务。
一种变通方法就是根据相对比例,将因分异形成的地球各个单元的平均组成结合在一起。问题是,气圈、水圈和地壳的组成可以通过直接测定获得,而地幔和地核的组成则与地球的模型有关。没有办法根据地震数据直接计算地核的组成,地震数据仅仅约束了物理状态和密度。地幔的组成也取决于“原始地幔”(总硅酸盐地球,BSE)组成所采用的模型。
表1-29 为Kargel和Lewis(1993)使用不同方法估算的整个地球的元素丰度。首先,他们建立了一个总硅酸盐地球的最佳估算方法,这种估算建立在对以下岩石分析基础之上:包括大洋玄武岩、*溢流玄武岩、大洋和*碱性玄武岩、蛇绿岩套中的超镁铁质端元、太古代科马提岩以及来自金伯利岩中含尖晶石-石榴子石的捕虏体。BSE 也结合了地核形成和挥发性的混合效应。假定包括太阳星云的凝聚和升华以及地球增生和早期演化过程中挥发分的逸失。其次,他们根据亲氧元素丰度球粒陨石标准化与计算的星云凝聚温度相关图解,建立了地球的挥发性趋势。根据总硅酸盐地球元素丰度和挥发性趋势,推算了地核和总地球 (the bulk Earth)的元素丰度。
表1-29 地球的元素丰度
续表
单位:×10-6。*:仅为非放射成因 Pb。 (据Misra,2012)
由表1-29 可知:①地球组成的约90%由Fe、O、Si 和Mg四种元素组成,其中Fe和O的丰度各占约1/3,这表明我们生活在铁和氧的星球上;②还有三种元素的丰度超过1%,包括Ni、Ca和 Al;③丰度从0.01%～1%的元素有10个:Na、P、S、Cl、K、Ti、V、Cr、Mn和Co。上述17个元素构成了地球总化学组成的约 99.9%,其余元素仅占地球总组成的0.1%或更少。
此外,地球元素的分布特征与太阳系元素丰度特征很不相同,也不具有太阳系元素丰度变化的某些规律,如奇偶规律 (黎彤,1982)。元素丰度特征表明地球和其他类似行星一样是太阳系比较特殊的成员。
