1.2.2.1 地球元素丰度的研究方法
地球元素丰度的研究方法很多,目前应用得比较广泛的有:①陨石类比法;②地球模型和陨石的类比法;③地球物理类比法等。
1.2.2.1.1 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。
Farrginton,O.C.(1911)和Clarke,F.W.等(1924)都曾用各类陨石的平均成分计算过地球主要元素的丰度。各类陨石所假定的比例不同会直接影响计算结果。Ahrens,L.A.(1965)采用单一陨石法求地球元素丰度,即他只用球粒陨石的平均元素含量(采用维诺格拉多夫1962年的计算值)来代表地球的元素丰度,单陨石类比法求出的地球化学成分最突出的问题是铁的丰度明显偏低。
1.2.2.1.2 地球模型和陨石的类比法
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做出如下假定: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,他据地幔和地壳总质量占地球总质量的67.6%,用质量加权法计算了地球的平均化学成分。因这一方法以陨石的硅酸盐相(silicate phsae)、金属相(metal phsae)和陨硫铁相(torilite phsae)的分析资料为基础,故又称SMT法。
1.2.2.1.3地球物理类比法
全称为层壳模型地球物理类比法。黎彤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(在气体成分方面做了些补充);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上,并首先提供了地球内部各圈层的元素丰度数据。
表1.11 大气圈对流层特征数据*
(据因特网上国际地球化学参考模型数据,1998)
*浓度(范围)是以对流层(干的气体)进行计算的。
**N2的浓度是据大气中其他主要组分平衡计算得到的。
注:V—Volcanic;A—Anthropogenic;B—Biogenic;R—Radiogenic;P—Photochemical;L—iLghtning;S—SeaSalt。
表1.12 平均海水成分(wB) (单位:μmo/lL)
(据因特网上国际地球化学参考模型数据,1998)
1.2.2.2 地球元素丰度及其规律
尽管地球元素丰度计算中存在假定性和不确定性,目前所获得的计算值也还有待检验和修正,但从已有的数据中已得出了某些有意义的认识:地球物质的90%由Fe、O、Si和Mg四种元素组成;含量大于1%的元素还有Ni、Ca、lA和S;Na、K、Cr、Co、P、Mn和Ti的含量均在0.01%~1%范围。可以认为,地球几乎是由15种元素组成的,其他元素的总百分比是微不足道的(仅约占0.1%或者更少)。
地球元素丰度也遵循太阳系元素丰度的基本规律,如奇偶规律、递减规律等。表1.13列出了因特网上国际地球化学参考模型数据(1998)推荐的地球元素丰度。
表1.13 地球元素丰度值(wB)
(据因特网上国际地球化学参考模型数据,1998)
在地球形成的初期主要经历了圈层的演化过程,埃尔萨瑟(Elsasser,1963)提出了地核形成的假说:原始地球形成经历一段时期后,在其内部大约几百公里深度温度达到了金属铁的熔点,游离铁发生熔融并逐渐汇聚成液态铁层。由于液态铁的密度大于硅酸盐,液态铁层就向地球的中心下沉,形成地核。在熔铁向中心不对称下沉时,导致较轻的硅酸盐发生不对称上升和遭受部分熔融,部分熔融的物质上升并形成地壳。因此地壳是三大层圈中最年轻的成员,其中还未发现年龄大于4.2Ga的古老岩石。
必须指出,元素在地球重力场中的分配并非受制于自身的密度或原子量,而是受元素对上述三相的亲和力支配。元素的亲和性又受原子的电子层构型、化学键特性所控制。例如,虽然U和Th的密度很高,但它们是强正电性的元素,使他们呈氧化物或硅酸盐形式富集于地壳中。相反,Au和Pt族元素不倾向形成氧化物或硅酸盐,因而常与铁形成合金,因此它们可能相对富集于地核中。尽管元素的分配并不受重力的控制,但重力却控制着各主要相在地球中的相对位置。有关地球的化学演化,将在第8章进一步剖析。