[科普中国]-亲铁元素

简介

地球科学家发现, 一些难以解决的地质问题与地外事件联系起来时, 常常可以获得满意的解释, 如地球-月球起源、生命的起源、进化和灭绝、气候变化、海进海退, 磁极和大陆漂移等等;这种研究方法是有逻辑性的, 因为地球本身就是由撞击和吸积众多星子增生而成的, 所以在研究一些复杂的地质难题时, 不管是在地球早期(撞击频繁)还是晚期(撞击相对不频繁), 地外撞击因素是不能忽略的。现今地球化学研究争议最多的是亲铁元素在地幔中的异常分配。早在1922 年, 戈尔德施密特将元素分为亲铁元素、亲铜元素、亲石元素和亲气元素。其中Ni 、Co 、Mo 、W、P 为中度亲铁元素, Ga 、Cu 、Sn 、P 为挥发性的中度亲铁元素, 铂族元素Os 、Ir 、Pt 、Au 、Rh 、Ru 、Re 、Pd 为强亲铁元素。对于地球的早期演化历史, 强亲铁元素特征能够提供特有的线索和信息1。

亲铁元素异常的解释地球吸积增生时期发生过全熔融或者大部分熔融, 形成岩浆海。强亲铁元素在金属相和硅酸盐相有非常高的分配系数。假定地球的平均成分为球粒陨石, 地核的形成(假定地核与地幔平衡)使绝大部分亲铁元素, 特别是强亲铁元素进入地核, 便造成地幔中强亲铁元素强烈亏损(小于10-4球粒陨石丰度);然而这种亏损并不十分强烈(上地幔中铂族元素的丰度是球粒陨石的1 150)。更奇怪的是强亲铁的八个元素尽管在金属相和硅酸盐的分配系数有数量级的差别(在105Pa 压力下), 其亏损程度却相近, 即它们之间的相互比值与球粒陨石接近。强亲铁元素在地幔中的特征可以用一模型解释:地核形成(核幔分异完成)后, 大约占现在地球质量0 .5 %～ 1 %的球粒陨石物质加入地幔。这就是后增薄层模型(Late-veneermodel), 或称后增薄层假说。最早提出此模型的是K.Kimura。这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种解释是:地球增生的早期, 在相对较还原的环境下, 当地球吸积形成到现在地球质量的百分之八九十时, 绝大部分亲铁元素进入地核, 随后增生的物质除了强亲铁元素外都处于较氧化状态, 所以强亲铁元素基本上都进入了地核;在地球增生的最后阶段, 增生的物质更加氧化, 亲铁元素难以进入地核, 它们滞留在地幔中, 造成现在地幔中亲铁元素异常特征。这种模式不能解释Ga 、Ni 等元素在地幔中的高异常和S 元素负异常特征。虽然S 的亲铁性随着压力的增高而提高, 以及高温增生S 的挥发特性可以解释其负异常特征[ 19] ;然而这种不均一增生假说的解释似乎带有一种人为的“拼凑”, 缺乏有力的证据, 因为地球化学和宇宙化学的研究难以解释这种假定增生物质的氧化还原状态的变化。它的最大缺点是不能解释亲铁元素在地幔中近球粒陨石比值。

对亲铁元素的异常还有一种解释:它是由地球受到大星子撞击形成的岩浆海底部正常分异造成的。分异时的温度为3000 ～ 3500 K, 压力随着地球增生吸积的星子不断增大, 铁在重力和剪切应力的作用下, 携带着亲铁元素进入地核。这一解释能够说明地幔中Ni 和Co 的丰度及它们近球粒陨石的比值, 因为随着压力的增高,Ni 和Co 的亲铁性都有所下降, Ni 的亲铁性下降更快一些, 压力达28 GPa 左右时, 它们的分配系数接近相等。这一模式要求铂族元素(强亲铁元素)高压下的分配系数要数量级地小于1 大气压下测定的分配系数。可是最近的高温高压实验研究表明,Pt 和Pd 在压力达16 GPa 时依然保持着很强的亲铁性, 它们的分配系数没有随压力的增高而降低, 所以这一解释依然不被多数人接受2。

后增薄层模型研究新进展由于铂族元素和Re 的强亲铁性, 产生了对地球早期演化历史的示踪作用, 所以铂族元素一直是研究的重点。后增薄层模型是建立在地幔铂族元素高度富集和近球粒陨石比值的基础上的。由于地幔全岩的铂族元素通常只有n ×10-9量级, 玄武岩中的含量通常只有10-12量级, 所以早期的研究者受分析技术的限制, 只能粗略地建立地幔中铂族元素近球粒陨石的比值。近年来, 由于分析技术和实验技术的提高, 后增薄层模型受到其它模型的挑战。如高压下的核幔分离实验基础下建立的模型, 整个地质时期的核幔物质交换, 这些模型的基础是发现许多地幔岩具有非球粒陨石铂族元素比值, 这一特征很难遵循后增薄层模型。

O.Alard 等使用激光探针等离子质谱方法分析地幔橄榄岩中的铂族元素, 指出非球粒陨石Pd Ir比值是由于上地幔熔融和交代过程造成的。他们具体分析单矿物颗粒包裹的硫化物及矿物颗粒间的硫化物中的铂族元素。结果表明绝大多数铂族元素存在于这两种类型的硫化物中, 被硅酸盐矿物包裹的硫化物Ir 、Ru 相对Pt 、Pd 富集, 与方辉橄榄岩等残留地幔岩有相似的铂族元素配分模式, O.Alard 等人将这种类型硫化物解释为部分熔融的残余;而矿物颗粒间的硫化物Pt 、Pd 相对Ir 、Ru 富集, 与玄武岩具相似的铂族元素配分模式被认为是流体结晶沉积形成的。两种硫化物的铂族元素具有耦合互补关系, 分别代表熔融残余和流体的铂族元素特征。

J.P.Lorand等结合地幔橄榄岩的稀土元素特征,认为地幔交代过程同样影响地幔中的铂族元素分配。因此, 地幔熔融和交代可以产生亏损和富集的铂族元素比值, 地幔全岩的高Pd Ir 比值并非反映地核与地幔的物质分异, 而是富集了流体结晶的硫化物;低Pd Ir 比值代表地幔多次熔融或高度熔融造成的亏损。另外, O.Alard 等和J .P .Lorand 等的研究表明, 代表各种地球化学动力学环境的地幔橄榄岩的非球粒陨石铂族元素比值并不反映后增薄层陨石的空间变化, 而是正常的成岩过程所致。

最近同位素的研究也表明, 地幔储集库的Re-Os 同位素具有球粒陨石一致的演化。A.D.Brandon等人对深海橄榄岩及T .Meisel 等人对各种地球化学动力学环境的富集地幔橄榄岩的Re-Os 同位素研究, 说明上地幔初始Re Os 和Pt Os 比值与球粒陨石相近。

总之, 最近地幔橄榄岩各相的高精度铂族元素分析、高压实验下铂族元素分配系数的测定, 以及Re-Os 同位素研究的进展, 都支持后增薄层模型;可以说, 这一模型是现有科技发展水平下解释地幔铂族元素异常的最好的假说3。