Transcript 強親鉄元素は
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 地球惑星物性学１要点 2011 年度（2012/1） 以下の要点を復習すること。 １、月、地球、火星、水星はそれぞれ特徴的な内部構造を持っている。それぞれの天体の半径、慣性モーメントファクター、平均密度の特徴から 内部構造の違いを説明せよ。ただし均質な弾性体の球では慣性モーメントファクターが0.4となる。 ２、地球内部のBullenの区分（A~G層）について説明せよ。 ３、次の物理量の定義式を記せ。縦波Vp、横波Vs、バルク音速Vb、地震パラメータΦ。断熱体積弾性率Ksとの間にはどのような関係があるか。 また、それらは温度と圧力とともにどのように変化するか。 ４、最近の地震波トモグラフィの情報から地球内部のマントル遷移層と核マントル境界に大きな異常が見出されている。これらはどのような異常か、 そのような異常はどのように解釈されているか。 ５、地球内部の温度分布はどのように推定されているか。推定方法を述べよ。また、その温度分布はどのようなものか。 ６、地球内部の断熱温度勾配はdT／dZ＝-αgT／Cpで表わせることを証明せよ。ただしαは熱膨張係数、gは重力加速度、Tは絶対温度、Cpは 定圧比熱である。α＝4*10^(-5) /K, Cp=0.25cal/gKすると下部マントル最上部での断熱温度勾配は-0.4K/kmとなることを示せ。下部マントル最 上部が２０００Kとするとき核マントル境界のマントル側の温度を見積もれ。 ７、PREMとはなにか。その特徴を、密度、縦波速度、横波速度について説明せよ。また、地球内部の大きな不連続を４つ挙げ、それぞれの原因 について説明せよ。 ８、熱力学的関係式について、関係式と定義を説明せよ。①熱膨張係数、②等温体積弾性率、等温圧縮率、断熱圧縮率、③クラウジウス・クラペ イロンの式、定圧比熱、定積比熱。 ９．地球内部は静水力学平衡になっているとみなされる。その関係式を示せ。均質、静水力学平衡、断熱、弾性体の天体ではAdams-Williamson の関係がなりたつ。この関係式を説明せよ。 １０、宇宙存在度と地球の珪酸塩の部分（地殻＋マントル）の組成の類似点と相違点を記せ。Mg/Si比、親鉄元素存在度、揮発性元素の存在度 の相違などについて記せ。 １１、原始太陽系星雲で生じた凝縮作用（Condensation）について説明せよ。アレンデ隕石にCAIと呼ばれる物質が含まれている。この物質につ いて説明せよ。 １２．初期地球で生じた諸過程を主要なものを４つ記せ。 １３、上部マントルを構成する岩石をなんと言うか。またその岩石はどのような鉱物から構成されているか。代表的な鉱物を3つ上げよ。また、それ らの鉱物の化学式（分子式）を記せ。 １４、マントルをつくる元素について、多いものから７種類を上げよ。また、地球の核は主にどのような組成を持っていると考えられるか。また、その ように考えられる理由を記せ。核をつくる軽元素について、可能性のあるものを３つ上げよ。また、その軽元素が核に含まれていると考えられる理 由を記せ。 １５、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。このモデルについて説明せよ。地球と火星はこのモデル ではどのように説明されるか。 １６、マントルの化学組成の特徴について、以下のことを説明せよ。 （１）ニッケルのパラドックスとは何か。 （２）ニッケルのパラドックスはどのように説明されているか。 （３）強親鉄元素の存在度にはどのような特徴があるか。 （４）強親鉄元素の存在度の特徴はどのように説明されているのか説明せよ。 （５）マントルと地殻の揮発性元素の存在度はどのような特徴があるのか。 （６）揮発性元素の存在度の特徴はどのように説明されているのか。