隕石帶來地球深處的秘密

根據頑火輝石型球粒隕石(Enstatite chondrite)成分中,與組成地球同位素含量比例的高相似度,配合地球形成時結晶分異過程的理論推演,以及地球物理方法對地球內部成分的估計,推論出了地球原始成分和目前地球內部組成的物質種類與分佈。


圖一 Abee頑火輝石型球粒隕石(圖片來源:維基百科

目前對於地球組成成分的推估,大多是根據來自於地表所獲得的岩石標本,以及球粒隕石的成分,來推估原始上部地函(Primitive Upper Mantle, PUM)的組成。然後再根據地函是均質的假設,推論整個矽酸岩地球是由哪些元素所組成。但是在這樣的推論過程中,我們一直缺少獨立的地函或地核成分數據,更何況種種證據都顯示,地函並非均質的。因此,Javoy等人希望能找到一個初始的成分,能夠用來推演地球形成時結晶分異的過程,進而得到地球最可能的組成成分。

頑火輝石型球粒隕石是目前最適合被用來當作地球初始成分的材料,因為在所有類型的隕石成分之中,頑火輝石型球粒隕石是唯一一類,其各種同位素含量比例都與目前的地函相似,包括:氧、氮、鉬、釕、鋨、鉻、和鈦;其中只有矽和鎢的同位素比例不同,這可能和地核的形成有關。除此之外,地球內部稀有氣體同位素的比例與太陽類似的特性,同樣也出現在頑火輝石型球粒隕石之中,包括:氦、氬、和氖。因此Javoy等人選擇了頑火輝石型球粒隕石的組成成分,作為地球組成成分的初始值模型。

頑火輝石型球粒隕石的成分大致可以分成富含鐵的EH型(含鐵量29%-35%)和較缺少鐵的EL型(含鐵量20%-29%),其所含的主要成分比例如表一所示。因此Javoy等人採計約40%的EH和60%的EL含量比例,作為地球初始成分參數。並以地球形成過程的結晶分異作用反應過程,將上述參數進行電腦模擬。結果顯示鎂、鈣、矽、鋁等主要元素對鐵的含量比例,都與頑火輝石型球粒隕石樣本的成分相符合。


表一 頑火輝石型球粒隕石所含成分的重量百分比。(點選上圖放大)

最後再考慮來自地球物理方法對地核所含輕元素:氧和矽含量的估計,得到對地球組成元素的比例如表二,這個結果和1952年在加拿大所發現的Abee隕石(如圖一)成分相當接近。如果直接以頑火輝石型球粒隕石樣本的成分,再更進一步推演出地函與地核的元素含量則如表三所示,這就是目前我們對於地球組成物質含量與分佈最新的估算結果。


表二 根據模擬數值進行地球組成元素比例的推論結果。(點選上圖放大)


表三 根據頑火輝石型球粒隕石樣本的成分進行地球組成元素比例的推論結果。(點選上圖放大)

在這個研究之中,Javoy等人利用頑火輝石型球粒隕石的組成成分,並考慮地球物理及岩石地球化學等相關的證據,成功推演出了組成固體地球的元素比例,包括地核所佔地球質量以及不均質的上、下部地函組成,是個相當令人振奮的結果。但是回過頭來看看這些間接的證據和間接的推論,讓我們禁不住更想問的問題是,會不會有一天,我們可以真的進到地球內部「研究」看看啊!

原始論文:
Javoy, M., E. Kaminski, F. Guyot, D. Andrault, C. Sanloup, M. Moreira, S. Labrosse, A. Jambon, P. Agrinier, A. Davaille, C. Jaupart, 2010, The chemical composition of the Earth: Enstatite chondrite models, Earth and Planetary Science Letters, V 293, P 259-268, doi:10.1016/j.epsl.2010.02.033.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X10001445

相關網站:
頑火輝石型球粒隕石 Enstatite chondrite(Wiki)
http://en.wikipedia.org/wiki/Enstatite_chondrite

Abee隕石 (Wiki)
http://en.wikipedia.org/wiki/Abee_(meteorite)

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