地球內部的化學成分和礦物組成

對地球內部物質組成的瞭解，目前尚不可能主要依靠直接觀測，多數須藉助間接的理論推導和實驗方法，並從各有關學科推演出來。其主要方法有3種:①地球物理學的方法。這種方法以地震學研究為主，並結合對大地電磁、重力、地磁和地熱等的研究。②實驗岩石學的方法。這種方法主要是模擬地球深部不同温度、壓力條件下穩定的礦物成分、結構、組合及相變。③地球化學、宇宙化學和地質學的方法。這種方法是對隕石、月岩、深鑽巖芯，構造運動抬升的深部地質剖面，以及對各類源自地球深部的岩石進行直接研究。地球的總體成分　地球的總體成分可通過兩種途徑求得。其一是根據地球各層的密度、質量分配以及對地幔成分和地核成分的基本假設進行近似的估算。另一種是基於地球起源學説以及對隕石比較研究的結果，選擇特定類型隕石的成分作為建立地球總體模型的基礎。地球總體成分的估算　地球各層的體積、質量以及基本的物質組成列於表1。表1　地球各層的容積和質量大氣、海洋只佔地球總質量的0.03％，地殼只佔不到總質量的1％，所以地球的總體成分基本上決定於地幔和地核。假設地球的鐵合金具有球粒隕石的平均鐵、鎳成分，並含有這些隕石中的FeS平均含量(5.3％)，而地幔加地殼的成分與球粒隕石中平均的含氧物質相同（硅酸鹽加少量的磷酸鹽和氧化物），由此計得的地球成分列於表2。表2　地球總體的平均成分表2中的數據儘管不確切，但是已説明了一些重要的問題。地球的90％是由Fe，O，Si和Mg4種元素組成的。含量超過1％的其他元素為Ni，Ca，Al和S。另外7種元素，Na，K，Cr，Co，P，Mn和Ti的含量可能介於0.1～1％之間。由此可知地球物質組成的某些特點。首先，由於元素與氧的不同親和力（根據氧化物的生成自由能），MgO、SiO2、Al2O3、Na2O和CaO先於FeO而形成，當氧不足的時候，絕大部分的鐵和鎳將呈非氧化狀態的金屬而保留下來。各種氧化物將結合成為硅酸鹽，例如MgO和SiO2結合成MgSiO2（輝石），或者形成MgSiO4（橄欖石）。假如已經達到重力平衡狀態，則絕大部分的緻密物質向地心集中，併發生分層作用，形成緻密的金屬核和密度較小的硅酸鹽地幔。濃度很低的元素受到不同的相互作用而傾向於互相分離。例如一些貴金屬元素像鉑、金等傾向於同金屬鐵結合集中到地核；而親氧元素像鈾等則同較輕的硅酸鹽組合而集中在地球上部。其次，可以合理地設想，地球曾經被加熱達到全部或部分熔融的狀態，低熔點的揮發性組分（H2O、CO2、N2、Ar等）發生逃逸，形成大氣層。地幔中富含SiO2、Al2O3、Na2O和K2O的易熔和較輕的物質上升到表層來。因此，早期的地球分離為核、幔、地殼、海洋和大氣等層狀構造。已有的證據表明，約在40億年以前，地球就已經達到類似於現在的層狀結構的狀況。地球總體成分的隕石模式　約在46億年之前，地球以及其他行星由原始太陽星雲吸積和凝聚而成。太陽的總成分提供了太陽系物質總體化學性質的線索。温度條件對在不同空間位置的氣體和塵埃雲吸積物的化學成分產生了強烈的控制作用，造成了太陽系從裏至外星體化學成分的分帶性。內行星(水星、金星、地球和火星)不僅具有小質量、高密度的特性，而且接受了大量的高温條件下凝聚的高密度硅酸鹽和鐵－鎳物質，低温凝聚物相對減少；而外行星（木星、土星、天王星、海王星和冥王星）則具有大質量、低密度的特點，並僅包含少量硅酸鹽物質。組成它們的大部分物質是以氣體和冰形態存在的低密度揮發元素。隕石是相互碰撞的小行星的碎片，受引力作用而降落到地球表面。它提供了太陽星雲和行星體物質化學成分的直接資料。地球化學的研究表明，Ⅰ型碳質球粒隕石同太陽光球成分很為近似，可將其視為原始太陽星雲的一種近似代表。進一步的工作表明，Ⅰ型碳質球粒隕石的高熔點主量元素成分同地球組成也極相似，但二者在微量元素組成上存在着規律性的差異(表3、4)。表3　Ⅰ型碳質球粒隕石與總體地球的主要元素對比表4　Ⅰ型碳質球粒隕石與地球微量元素組成對比地球總體上虧損揮發性元素而富集親氧的高熔點元素。這不僅反映了原始太陽星雲組成上的不均一性（這已經為現代氧、鎂等同位素研究所證實），而且也反映了在吸積過程中，特別在凝聚階段所產生的分異。衝擊波實驗資料也表明各類球粒隕石和鐵隕石的平均原子量（分別為23.4、25.6和55）無法同總體地球平均原子量(27)相擬合。因此人們將不同類隕石加以組合，並結合岩石化學和地球內部層狀結構推算了如下的5種地球總體成分（表5）：表5　對地球總體成分的不同估算表5中第5欄是沃森(J.T.Wasson)基於各組球粒隕石在高熔點元素(Ca，Al)／Si同FeOx/(FeOx+MgO)的相關圖（圖1）上，地球同H羣和IAB型球粒隕石相近，而提出的以H羣隕石的平均組成來近似表示總體地球的組成的估算值。地殼的物質組成　地殼介於莫霍面與地表之間，是迄今研究程度最高，資料最豐富的一個地球分層。大量的研究結果極其鮮明地顯示了它的橫向與縱向的不均一性和複雜性。這是因為地殼是地球漫長演化過程中分異作用的歷史產物，並至今仍在不斷變化中，包括同地幔深部和外層空間的物質交換。大陸地殼　大陸地殼一般厚度為35～50公里，是由沉積蓋層和上、下兩部分地殼組成。表6第1～7欄給出對這些不同部分組成的估算值。通過出露地層及鑽孔等資料以加權平均處理可得到沉積蓋層成分的估計（表6，第1欄）；上部地殼成分一般認為可由露於大陸地盾區的火成岩、變質岩和沉積岩3大巖類的混合平均值（表6，第2欄）或由典型的大陸地盾（如加拿大地盾）的系統取樣分析值而得到(表6，第3欄)。兩種估計結果相近，表明了上地殼平均成分近似於花崗閃長巖和英雲閃長巖，這與上地殼的地震波速觀測值是一致的。人們對於下地殼的認識要差得多，目前還存在着一些不同的看法。有人將地震波速作為判斷依據，認為可將下地殼視為等量花崗岩和輝長岩的混合（表6，第4欄），或由麻粒巖相變質岩類所組成（表6，第5欄），因為後者的礦物組合反映的温壓條件與下地殼一致。很顯然，上述看法都傾向於將下地殼看成是基本上均一的，這個觀點長期以來被人們所接受。然而近年來多學科深部研究的進展，使人們的認識有所深化。不僅指出傳統劃分所謂“花崗岩層”上部地殼和“玄武岩層”下部地殼的康拉德界面的存在意義值得商榷，而且揭示了大陸地殼結構和組成上的高度複雜性以及下地殼組成的不均一性。其中一種代表性的觀點是認為下地殼是由花崗岩和正長片麻岩、斜長巖、輝石麻粒巖和角閃巖組成，它們在小範圍內是互層，並被花崗岩和輝長岩所侵入發生變質和變形。這種看法不僅符合於地震波速資料，而且同一些已經公認的，被構造運動抬升的深部地質剖面（如阿爾卑斯南部的伊夫雷亞帶）的實驗觀測結果基本一致，也同深部捕虜岩的研究基本一致，並能同地球化學和地熱模式的制約條件相吻合。這可能是一種比較接近客觀實際的認識，至少人們已認識到下地殼決不能用均一組成的模式來表徵。表6　地殼不同成分的化學成分在全球某些大陸地殼地區，都先後發現存在着殼內低速層和高導層。目前對其物質組成上的含義尚缺乏深入研究，但有兩種可能的解釋，一是大陸地殼部分熔融；二是大陸地殼內存在着不同形式的水。如表6第6、7欄所表徵的大陸地殼平均成分主要是由上述上、下地殼加上8％沉積岩平均得到的。這一化學成分表明大陸地殼總體上相當於中性火成岩（安山岩或閃長巖），但在微量元素上，相對於中性火成岩富集了K、Rb、Ba、U、Th等，這一差異對研究殼、幔物質分異演化史具有重要意義。海洋地殼　海洋地殼的一般厚度為5～15公里，是由沉積層（層Ⅰ）及洋殼（層Ⅱ和層Ⅲ）組成。沉積層的組成（見表6第8欄）是由直接取樣測定計算的。而通過深海取樣，鑽探和與蛇綠岩的對比研究，一般認為層Ⅱ是由拉斑玄武岩組成，並可能有少量蝕變和變質的沉積物。地震波速資料以及深海磁異常條帶的存在支持了這種看法。表6中第9欄即是等量的沉積物和拉斑玄武岩混合的計算結果。關於海洋下地殼，即層Ⅲ的組成，目前認識是不一致的。它可能是由岩漿結晶作用所形成的輝長岩和堆積巖；也可能是角閃石輝長岩、輝綠岩以及蛇紋石化超鎂鐵質巖。表6第10欄是假定該層是按具有洋脊拉斑玄武岩成分的角閃石輝長岩組成計算的結果，同時根據上述層Ⅱ和層Ⅲ的組成，推算了整個洋殼的組成。因為沉積物僅佔很少比例（約5％），顯然這一結果反映了洋殼主體的拉斑玄武質成分。總體地殼　對地殼不同部分的成分的估算和實際觀測，為估算總體地殼組成提供了可能性。表7是不同類型岩石和礦物在地殼中分佈的體積百分比。這一資料表明，花崗質片麻岩和鎂鐵質岩石或麻粒巖是地殼中的主要岩石類型，而沉積岩僅佔很少比例。表8第1、2欄是基於表6相應欄目計算而得的地殼總體成分，分別相當於對下地殼組成的兩種不同的假設。第3～5欄為對中性火成岩的3種平均估算值。計算表明總體地殼成分類似大陸地殼，即近似於安山岩和閃長巖。這反映了大陸地殼在體積上的主導地位。表7　地殼中岩石類型和礦物類型分配的體積百分比表8　總體地殼成分及與中性火成岩成分的比較地幔的物質組成　地幔可以分為上地幔、過渡帶和下地幔（見地球內部的構造和物理性質）。地幔的化學成分　在地球形成之後的歷史過程中，地幔有一部分演化為地殼物質，而且兩者之間的物質交換不斷地進行。近來不少地區發現地幔頂部的物質具有各向異性的特徵，所以嚴格地説地幔的化學成分在時間和空間上都有變化。但是，近似地估計地幔的總體化學成分仍有科學的意義。表9列出歷年來對地幔化學成分的估計，包括林伍德(A.E.Ringwood)的“地幔巖”模型，德國亞古茨(H.Jagoutz)提出的原始地幔捕虜岩的平均化學成分和澳大利亞孫賢沭根據部分熔化計算的數據。從表9可以看出，雖然估計的角度不同，但在主要元素方面很接近。表9　地幔總體化學成分的估計①“地幔巖”模型　這是林伍德先後於1962年、1975年和1977年提出的。地表，尤其是洋底，有大量噴發的玄武岩，它們被證明來源於上地幔，代表地幔中的低熔點物質。因此未分異的地幔物質在化學成分上應當能夠產生地表各種類型的玄武岩漿。但是地幔捕虜岩以及超鎂鐵巖中的橄欖岩多數是虧損的，它所含的不相容元素如K、U、Th、Ba、Rb、La、Ti和P均太低，在部分熔化時不能產生玄武岩漿。大部分的地幔橄欖岩可視為將玄武岩漿提取出去後殘留下來的耐熔物質。林伍德等人由此得到的結論是，地幔頂部的橄欖岩不是玄武岩漿的母巖，而是與玄武岩漿互為補充的物質。在這種補充物質的下面，存在着未分異的地幔物質（圖2），這裏玄武岩漿尚沒有熔化出去。他們稱這種物質為“地幔巖”。最初的“地幔巖”模型大約為3份的阿爾卑斯橄欖岩和1份的玄武岩所組成，後來選擇了更恰當的玄武岩成分，不斷修改了“地幔巖”模型。但是對於主要元素的成分基本上沒有改變。②原始地幔捕虜岩的化學成分　地幔捕虜岩絕大多數是許多元素虧損的地幔難熔物質，不宜代表地幔化學成分。1979年亞古茨等採集研究世界各地的地幔捕虜岩，從中鑑別出6個“原始地幔捕虜岩”樣品，用近代的分析手段測定了其中的主要元素、少量元素和痕量元素，並用它們的平均值代表地幔總體的化學成分。他們所提供的數據，主要元素方面同林伍德的“地幔巖”模型很一致，但微量元素方面有顯著區別。③“部分熔化”所計算的數據　孫賢沭於1981年在同時研究太古代的科馬提巖和現代洋底玄武岩的化學成分的基礎上，從地幔部分熔化過程中化學元素在岩漿中含量變化的理論計算公式，反推出未經分異的地幔化學成分。他用這種方法所得到的數據，在主要元素和微量元素方面均與亞古茨1979年的資料很接近。關於地幔的礦物組成，則必須按地幔的內部分層分別温度和壓力變化的影響，研究它們的物質狀態和礦物性質。上地幔的物質組成　由於在海洋和大陸的莫霍界面上地震波速度均為8.0～8.3公里／秒，因此通常認為上地幔頂部具有相同的礦物組成。曾有人假設莫霍界面是相變面，也就是説地幔頂部的物質和地殼下部的玄武岩具有同樣的化學成分，只是由於温壓條件的不同，它們表現為不同的礦物性質，變成為榴輝巖。但是實驗的結果表明，離地表深度不大的海洋莫霍界面不可能是相變面。根據礦物樣品的波速測量，以及從地幔捕虜岩岩石學和地球化學角度的考慮，上地幔的礦物組成主要為橄欖岩層。假定上地幔的物質主要是橄欖岩，可以從實驗岩石學的數據，求出在相應的温壓條件下存在的穩定礦物組成。由此求得不同深度處的礦物成分，使得它們的速度和密度符合地球物理觀測的數據。總的來説，上地幔淺層主要是斜長石橄欖岩，隨着深度的增大，尖晶石橄欖岩和石榴石橄欖岩將成為主要岩石。在地幔岩石層(圈)的下面有一個上地幔低速帶，地震波速強烈減弱。這個帶相應的深度可能相當於石榴石橄欖岩層的範圍，但它們不完全是剛性物質，假設其中有0.2～2％的部分熔化，就可以解釋地震波速降低的現象。一般認為低速帶在板塊運動中起着重要作用，它提供了一個粘度較低的區域，使岩石層（圈）板塊能在上面進行滑動。過渡帶　過渡帶上下界面的速度變化可以用礦物的相變來解釋。上地幔中最主要的礦物成分是橄欖石（Mg、Fe）2SiO4，輝石(Mg、Fe)SiO3和石榴石（Mg、Fe）3Al2SiO12。其中橄欖石的含量最多，其次是輝石。它們的相變對於解釋過渡帶的速度和密度最為重要。如以鎂橄欖石為例，隨着壓力的增大，它的相變順序為：礦物上面的數字為計算的密度值，百分率為自一種礦物相變為另一種礦物時密度的增加率。在過渡帶上界，約350～450公里深度範圍，鎂橄欖石轉變為β相，它使密度增加約8％，這和地球物理的數據相當符合。壓力繼續增高，β相轉變為尖晶石，密度增加約2％，這可以用來解釋有些地區500～550公里的速度梯度帶。在650公里深度，尖晶石分解為鈣鈦礦相的晶體構造和方鎂石，密度值增大約11％，這和地球物理的數據也很符合。在過渡帶中，輝石和石榴石的相變也不能忽視。它們可以轉變為石英SiO2的高壓相（超石英）、鈦鐵礦相和鈣鈦礦相等。下地幔　自深度700公里至幔核界面之間，速度和密度的變化都比過渡帶小得多。在900公里以及其他深度處，仍然有一些小的跳躍，它們同樣可以用相變來解釋。過去對於下地幔的FeO／(FeO+MgO)是否增加一直有爭論。如果把下地幔看為是由MgO+FeO+SiO2(超石英)所組成，自“地幔巖”所得的速度將比實際觀測值略低，因此假設下地幔的Fe成分增多似乎是合理的。但是實驗結果表明，下地幔尖晶石可以直接轉變為鈣鈦礦和方鎂石，它的密度比超石英更高，因此下地幔Fe的成分不增多，也能解釋地球物理的數據。以上地幔各層圈的物質組成，可用圖3綜合表示。根據橄欖石、輝石和石榴石等主要地幔礦物隨深度發生相變的實驗資料（表10），可劃分若干地幔礦物相帶。表10　根據相變實驗劃分的地幔礦物相帶近年來，通過對幔源巖類的微量元素和同位素體系的研究，推演出幾種新的地幔分層模式，對深部組成提出了重要的地球化學制約條件，併為研究殼幔物質交換及歷史演化提供了新途徑，這對深化人們對地幔物質組成的認識具有重要意義。地核物質的化學組成　早期曾經認為鐵隕石和石隕石都是由一個母體所產生，因為它們很可能代表分異之後內外兩部分物質的組成。所以40年代以前，多數地球物理學家認為石隕石物質和地幔相似，鐵隕石物質和地核相似，地核是由鐵鎳所組成的。地核的地震波速度和密度都很大，更加使人確信這點。後來拉姆齊(W.H.Ramsey)提出另外一種不同的假設。他認為地核物質可能是地幔物質的高壓相。雖然這種學説現在仍然得到一些人的支持，但是近代實驗和測量數據足以證明，地核主要是由鐵、鎳所組成的，其中還包括某些較輕的元素。最可靠的證明方法是用衝擊波測量鐵、鎂等金屬以及硅化物在高壓下的密度，然後把它們與觀測所得的密度相比較。利用衝擊波方法已經求出某些金屬和岩石在高壓下的密度值。觀測所得外核密度9.5克／釐米3，而純橄欖岩在2.4百萬巴壓力下的密度為6.8克／釐米3，因此外核物質不可能與地幔物質相似。衝擊波的測量結果也説明，外核物質中必有少量輕物質。純鐵在核幔邊界處的壓力和2000℃條件下的密度為11.2克／釐米3，在地心條件下的密度為13克／釐米3。即使考慮熔化時的密度降低，它仍然比觀測的外核密度約大15％。地核還包含鎳的成分，這種差異將更大。在高温零壓時地核的聲速為5.05公里／秒左右，衝擊波所測Fe-Ni的聲速只有3.1～3.7公里／秒。上面的結果説明，實際外核的密度比Fe-Ni為小，而聲速卻比Fe-Ni為大。為了解決這個矛盾，外核必須包含大約5～15％的輕元素，它可以減低密度，同時加大聲速的數值。關於地核中輕元素的化學成分已經有很多假説。Si或S最可能成為地核的輕元素。林伍德假定地幔的鎂鐵成分與“地幔巖”一樣，因此(Fe+Mg)/Si＞1；而整個地球的成分同球粒隕石差不多，因此(Mg+Fe)/Si＜1.65。這樣計算的結果，地核中應含有11％的Si。但是地核中如果含有Si，則地幔中Fe++，Fe+++和地核中Si將產生化學不平衡的問題，無法得到解釋。根據衝擊波的實驗結果，如果在鐵鎳的地核中增加14％的S，將能足夠降低外核的密度。這樣，地球中將會有大約4.5％的S。現在遇到的困難是如何解釋地球中許多比S更難揮發的物質都很缺少，易揮發的S卻能保持不被揮發的問題。林伍德等人還強調，在外核中有些FeO可以存在於鐵的液體中。隨着温度的增高，液體鐵中FeO的溶度增加得很快。由於地幔中有很多的FeO，因此假設外核的液體鐵中包含一定數量的FeO似乎頗為合理。有些人認為地核中還可能有一定數量的K。地球的K/U比值較一般的球粒隕石為低；球粒隕石的K/U比值約為8×104，而地球的K/U只有1×104。地球的K/Si比值也比球粒隕石為低。因此有人認為，地球中一部分的K可能集中到地核。由於K是放射性同位素，它對於地球的熱歷史和現在的熱狀態將有較大的影響。 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