親鐵元素

地球科學家發現, 一些難以解決的地質問題與地外事件聯繫起來時, 常常可以獲得滿意的解釋, 如地球-月球起源、生命的起源、進化和滅絕、氣候變化、海進海退, 磁極和大陸漂移等等;這種研究方法是有邏輯性的, 因為地球本身就是由撞擊和吸積眾多星子增生而成的, 所以在研究一些複雜的地質難題時, 不管是在地球早期(撞擊頻繁)還是晚期(撞擊相對不頻繁), 地外撞擊因素是不能忽略的。現今地球化學研究爭議最多的是親鐵元素在地幔中的異常分配。早在1922 年, 戈爾德施密特將元素分為親鐵元素、親銅元素、親石元素和親氣元素。其中Ni 、Co 、Mo 、W、P 為中度親鐵元素, Ga 、Cu 、Sn 、P 為揮發性的中度親鐵元素, 鉑族元素Os 、Ir 、Pt 、Au 、Rh 、Ru 、Re 、Pd 為強親鐵元素。對於地球的早期演化歷史, 強親鐵元素特徵能夠提供特有的線索和信息 ^[1]  。

地球吸積增生時期發生過全熔融或者大部分熔融, 形成岩漿海。強親鐵元素在金屬相和硅酸鹽相有非常高的分配係數。假定地球的平均成分為球粒隕石, 地核的形成(假定地核與地幔平衡)使絕大部分親鐵元素, 特別是強親鐵元素進入地核, 便造成地幔中強親鐵元素強烈虧損(小於10-4球粒隕石丰度);然而這種虧損並不十分強烈(上地幔中鉑族元素的丰度是球粒隕石的1 150)。更奇怪的是強親鐵的八個元素儘管在金屬相和硅酸鹽的分配係數有數量級的差別(在105Pa 壓力下), 其虧損程度卻相近, 即它們之間的相互比值與球粒隕石接近。強親鐵元素在地幔中的特徵可以用一模型解釋:地核形成(核幔分異完成)後, 大約佔現在地球質量0 .5 %～ 1 %的球粒隕石物質加入地幔。這就是後增薄層模型(Late-veneermodel), 或稱後增薄層假説。最早提出此模型的是K.Kimura。這一模型是建立在地球不均一增生的前提下。

地球的不均一增生模式的另一種解釋是:地球增生的早期, 在相對較還原的環境下, 當地球吸積形成到現在地球質量的百分之八九十時, 絕大部分親鐵元素進入地核, 隨後增生的物質除了強親鐵元素外都處於較氧化狀態, 所以強親鐵元素基本上都進入了地核;在地球增生的最後階段, 增生的物質更加氧化, 親鐵元素難以進入地核, 它們滯留在地幔中, 造成現在地幔中親鐵元素異常特徵。這種模式不能解釋Ga 、Ni 等元素在地幔中的高異常和S 元素負異常特徵。雖然S 的親鐵性隨着壓力的增高而提高, 以及高温增生S 的揮發特性可以解釋其負異常特徵[ 19] ;然而這種不均一增生假説的解釋似乎帶有一種人為的“拼湊”, 缺乏有力的證據, 因為地球化學和宇宙化學的研究難以解釋這種假定增生物質的氧化還原狀態的變化。它的最大缺點是不能解釋親鐵元素在地幔中近球粒隕石比值。

對親鐵元素的異常還有一種解釋:它是由地球受到大星子撞擊形成的岩漿海底部正常分異造成的。分異時的温度為3000 ～ 3500 K, 壓力隨着地球增生吸積的星子不斷增大, 鐵在重力和剪切應力的作用下, 攜帶着親鐵元素進入地核。這一解釋能夠説明地幔中Ni 和Co 的丰度及它們近球粒隕石的比值, 因為隨着壓力的增高,Ni 和Co 的親鐵性都有所下降, Ni 的親鐵性下降更快一些, 壓力達28 GPa 左右時, 它們的分配係數接近相等。這一模式要求鉑族元素(強親鐵元素)高壓下的分配係數要數量級地小於1 大氣壓下測定的分配係數。可是最近的高温高壓實驗研究表明,Pt 和Pd 在壓力達16 GPa 時依然保持着很強的親鐵性, 它們的分配係數沒有隨壓力的增高而降低, 所以這一解釋依然不被多數人接受 ^[2]  。

由於鉑族元素和Re 的強親鐵性, 產生了對地球早期演化歷史的示蹤作用, 所以鉑族元素一直是研究的重點。後增薄層模型是建立在地幔鉑族元素高度富集和近球粒隕石比值的基礎上的。由於地幔全巖的鉑族元素通常只有n ×10-9量級, 玄武岩中的含量通常只有10-12量級, 所以早期的研究者受分析技術的限制, 只能粗略地建立地幔中鉑族元素近球粒隕石的比值。近年來, 由於分析技術和實驗技術的提高, 後增薄層模型受到其它模型的挑戰。如高壓下的核幔分離實驗基礎下建立的模型, 整個地質時期的核幔物質交換, 這些模型的基礎是發現許多地幔巖具有非球粒隕石鉑族元素比值, 這一特徵很難遵循後增薄層模型。

O.Alard 等使用激光探針等離子質譜方法分析地幔橄欖岩中的鉑族元素, 指出非球粒隕石Pd Ir比值是由於上地幔熔融和交代過程造成的。他們具體分析單礦物顆粒包裹的硫化物及礦物顆粒間的硫化物中的鉑族元素。結果表明絕大多數鉑族元素存在於這兩種類型的硫化物中, 被硅酸鹽礦物包裹的硫化物Ir 、Ru 相對Pt 、Pd 富集, 與方輝橄欖岩等殘留地幔巖有相似的鉑族元素配分模式, O.Alard 等人將這種類型硫化物解釋為部分熔融的殘餘;而礦物顆粒間的硫化物Pt 、Pd 相對Ir 、Ru 富集, 與玄武岩具相似的鉑族元素配分模式被認為是流體結晶沉積形成的。兩種硫化物的鉑族元素具有耦合互補關係, 分別代表熔融殘餘和流體的鉑族元素特徵。

J.P.Lorand等結合地幔橄欖岩的稀土元素特徵,認為地幔交代過程同樣影響地幔中的鉑族元素分配。因此, 地幔熔融和交代可以產生虧損和富集的鉑族元素比值, 地幔全巖的高Pd Ir 比值並非反映地核與地幔的物質分異, 而是富集了流體結晶的硫化物;低Pd Ir 比值代表地幔多次熔融或高度熔融造成的虧損。另外, O.Alard 等和J .P .Lorand 等的研究表明, 代表各種地球化學動力學環境的地幔橄欖岩的非球粒隕石鉑族元素比值並不反映後增薄層隕石的空間變化, 而是正常的成巖過程所致。

最近同位素的研究也表明, 地幔儲集庫的Re-Os 同位素具有球粒隕石一致的演化。A.D.Brandon等人對深海橄欖岩及T .Meisel 等人對各種地球化學動力學環境的富集地幔橄欖岩的Re-Os 同位素研究, 説明上地幔初始Re Os 和Pt Os 比值與球粒隕石相近。

總之, 最近地幔橄欖岩各相的高精度鉑族元素分析、高壓實驗下鉑族元素分配係數的測定, 以及Re-Os 同位素研究的進展, 都支持後增薄層模型;可以説, 這一模型是現有科技發展水平下解釋地幔鉑族元素異常的最好的假説 ^[3]  。