Transcript 第9回

地球の化学組成の推定
１）隕石の化学組成からの推定
２成分モデル （Ringwood, Bankeなど）
Ringwoodの2成分モデル： 地球は、
低温成分： Ｃ１コンドライト １０％
高温成分： 還元的な条件で、過熱して揮発成分を蒸発させた物質 ９０％
Enstatite chondriteを仮定する場合もある。
天然の岩石からの推定：
マントルの化学組成を推定する。
a) マントルゼノリス（マントル捕獲岩）からの推定：
マントル起源の岩石には、カンラン岩（peridotite)と榴輝岩（エクロジャイトeclogite）が存在
する。
カンラン岩はカンラン石、輝石（斜方輝石，単斜輝石）からなりエクロジャイトは石榴石（ガー
ネット）、単斜輝石、（石英）からなる。
マントルは主として、カンラン岩からなると考えられている。
マントルカンラン岩には、アルミナを含む鉱物として斜長石(Plagioclase),尖晶石（Spinel)、
石榴石（Garnet)を含むものがある。それぞれ、
斜長石カンラン岩（Plagioclase peridotite)：高温低圧
尖晶石カンラン岩（Spinel peridotite)：低温低圧
石榴石カンラン岩（Garnet peridotite）：高温高圧
b) マグマからの推定：超苦鉄質マグマ：コマチアイトマグマ
PREM
１、マントルの化学組成の推定方法： 始源的マントルの推定方法
マントル捕獲岩からの始原的マントルの組成の推定 (McDonough, 2001)
MgO~38wt.% primitive
Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｅａｒｔｈ： 地殻＋マントル
マントル＋地殻の元素存在度の特徴
（１）Ca, Al, REE, U, Thなどの難揮発性元素はＣ１コンドライトの約1.16倍
（２）SiはＣ１コンドライトの約0.83倍: マントルは輝石でなくかんらん岩的
（３）V, Cr, MnはＣ１コンドライトの0.23~0.62倍
（４）Fe, Ni, Co, Wなどの親鉄元素はＣ１コンドライトの約0.08~0.15倍
ニッケルのパラドックス：
低圧での平衡分配に比較してマントルに多すぎる。
（５）Na, KなどはＣ１コンドライトの0.18~0.22倍：
熱源となるＫは少ないのは、揮発性元素として枯渇しているのか？
それとも核に存在するのか（核の熱源として重要）？
（６）Pt, Ir, Reなどの貴金属はＣ１コンドライトの約0.003倍
強親鉄元素のパラドックス：
低圧での平衡分配に比較して存在度はマントルに多すぎる。
（７）S, Cd, Seなどの揮発性元素はＣ１コンドライトの10-4~10-2
地球の地殻・マントルは揮発性元
素に枯渇している。
揮発性元素の一部は核に存在するのか？
地球は高温起源であったのか？
揮発性元素の枯渇
Ca Al Ti REE U Th etc
Mg
1.0
Si
V
親石元素
Cr
Li
難揮発性
親石元素
Mn
Na
Depletion factor
Fe
Rb
0.1
Ni
Co
F
Cu
Mo
x
Zn
In
x
As
親鉄元素
Re
Ca
P
W
0.01
揮発性親石
元素
K
Cd
x
Cs
Pb
Cl x
Ag
Sb
Ge
Tl
Br Bi
S
x
Pt
Au
Os
Ir Pd
強親鉄元素
0.001
>1350
Se
x
1000
700
Condensation temperature, K
400
図5
難揮発性の親石元素
Sc Ti
Y La
Eu Tb
Lu ThU
V
Sm
Mg Si Ca
Ba
CeNd
Sr
Yb
Ta
Li
揮発性の程度
Zr
Nb
Al
(Mantle+Crust)/C1
1.0
高
Cr
難揮発性の元素
揮発性・やや揮発性の元
素 ＜1300K
親鉄元素
Fe
低
Cu
Mn
Ga
Na
Sn
Co
揮発性
元素
K
Rb
0.1
Ni
親
鉄
元
素
0.01
Zn
P
強親鉄元素
In
Re
Cd
Ge
Ag
0.01
0.001
Tl Pb
Ir
Os
Cs
Au
Bi
Mg/Si ratio of the mantle:
Volatility (e.g., McDonough, 2003)
vs
Removal of Si into Core (e.g., O’Neil, 1991; Allegre et al., 2001)
McDonough (2003)
Mantle
Relative abundance
Refractories
Moderately volatiles
Volatiles
Planetary volatility trend
@1AU
Lithophile
elements
3.2
3.1
3.0
2.9
2.8
2.7
Log 50% condensation temperature (K) at 10-4 atm
Removal of Si from the mantle by metallic iron may explain Mg/Si ratio
of the mantle: Entry of 5~7 % of Si into the core?
7
地球の２成分モデル
地球のモデルとしてRingwoodやWankeによって提案された二成分モデル
がある。
リングウッド（Ringwood)およびベンケ（Wanke）によって提案されたモデル
地球は２成分の混合で説明できる。
Ａ成分 （低温成分：Orgueil）
Ｂ成分 （高温成分：高温～1000 Cで加熱またはE-Chondrite的な成分）
地球はＡ成分１０％、Ｂ成分が９０％からなる。
すなわち、Ｃ１コンドライトに比べて揮発成分に枯渇している。
火星はＡ成分が３０％、Ｂ成分が７０％からなる。
地球のマントルのニッケルのパラドックス
マントル中にNiは過剰に存在する。すなわち、
マントルにおいて、NiとCoの存在度は、ほぼ等しい。しか
し、金属鉄とケイ酸塩の間の分配係数は大きく異なる。
なぜか。
マントル起源のカンラン石中のＮｉ～２０００ｐｐｍ程度
常圧、高温でのＮｉとＣｏの分配係数
Ｄ（Ｎｉ）～３１００
Ｄ（Ｃｏ）～２００
コンドライトや火星隕石においては、カンラン石中のＮｉ量が少ない。
隕石中のカンラン石中のＮｉ～数百ｐｐｍ
図5
難揮発性の親石元素
Sc Ti
Y La
Eu Tb
Lu ThU
V
Sm
Mg Si Ca
Ba
CeNd
Sr
Yb
Ta
Li
揮発性の程度
Zr
Nb
Al
D~200
(Mantle+Crust)/C1
1.0
高
Cr
難揮発性の元素
揮発性・やや揮発性の元
素 ＜1300K
親鉄元素
Fe
低
Cu
Mn
Ga
Na
Sn
Co
揮発性
元素
K
Rb
0.1
Ni
親
鉄
元
素
0.01
Zn
P
強親鉄元素
In
Re
Cd
Ge
D~3100
Ag
0.01
0.001
Tl Pb
Ir
Os
Cs
Au
Bi
3100
200
図１９
ニッケルはマントルに入りやすくなる。
ニッケルのパラドックスの説明
Ｄ, 分配係数
マントル内のCo/Ni 比は、低圧で高温の実験結果とあわない。
より高圧でのCo/Niの分配を反映している。 深いマグマの海
での核形成
Ni
Co
>40 GPa
圧力, GPa
Co/Ni in the mantle implies very deep magma ocean
ニッケルのパラドックスの解釈
深いマグマオーシャンでの核マントルの平衡
と分離
核とマントルが非平衡であった。
初期地球の諸過程
強親鉄元素のパラドックス：
強親鉄元素は、マントルに多すぎる。
マントル中に強親鉄元素、Ir, Pt, Au, などは金属鉄とケイ
酸塩の元素分配で期待されるよりも過剰に存在する。
3100
200
>3x104
>4x104
105
図5
難揮発性の親石元素
Sc Ti
Y La
Eu Tb
Lu ThU
V
Sm
Mg Si Ca
Ba
CeNd
Sr
Yb
Ta
Li
揮発性の程度
Zr
Nb
Al
(Mantle+Crust)/C1
1.0
高
Cr
難揮発性の元素
揮発性・やや揮発性の元
素 ＜1300K
親鉄元素
Fe
低
Cu
Mn
Ga
Na
Sn
Co
揮発性
元素
K
Rb
0.1
Ni
親
鉄
元
素
0.01
Zn
P
強親鉄元素
In
Re
Cd
Ge
Ag
0.01
0.001
Tl Pb
Ir
Os
Cs
Au
Bi
強親鉄元素のパラドックスは：
地球集積のなごり：隕石重爆撃
マントルの強親鉄元素存在度と隕石衝突
Ｌａｔｅ Ｖｅｎｅｅｒの存在の有無
海の起源とＬａｔｅ Ｖｅｎｅｅｒ
Ｌａｔｅ Ｖｅｎｅｅｒによる有機物の供給： 生命の起源
小天体衝突と恐竜絶滅：イリジウムの異常の説明
隕石中の強親鉄元素
The Sm-Nd age and the 39Ar
- 40Ar age of A-881757 [1]
indicate their source basalt
flow crystallized at 3870 Ma
and was impacted at 3800 Ma.
[1] Misawa et al. (1993) GCA 57,
4687-4702
Impact event:
月と地球への隕石重爆撃
の痕跡か？
レゴリス研究の重要性
初期地球の諸過程
地殻＋マントルの元素存在度と元素の分類
CM
CO
CV
図１１
図１２