マントルゼノリス（マントル捕獲岩）からの推定： 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。 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 親石元素 親鉄元素 強親鉄元素 難揮発性親石元素 揮発性親石元素 >1350 1000 700 400 x Ca Al Ti REE U Th etc Mg Si Cr V Li Mn Na K Cu Rb Ca F Zn In Fe Ni Co W P Mo As Ag Sb Ge Cs Cd Cl Pb Br Bi Tl S Se Os Re Ir Pt Pd Au 強親鉄元素 親鉄元素 親石元素 難揮発性親石元素 揮発性親石元素 >1350 1000 700 400 Condensation temperature, K 1.0 0.1 0.01 0.001 Depletion factor
図 5 (Mantle+Crust)/C1 1.0 0.1 0.01 低 高 0.001 難揮発性の元素 揮発性・やや揮発性の元素 ＜1300K 親鉄元素 Re Os Ir Au Fe Co Ni Cu Zn P In Cd Ge Ag Cr Mn Ga Sn Na K Rb Cs Tl Pb Bi Zr Mg Nb Al Si Ca Sc Ti Sr Y Ba La Ce Nd Sm Eu Tb Yb Lu Ta Th U V Li 強親鉄元素 難揮発性の親石元素 揮発性の程度 低 高 揮発性元素
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) Log 50% condensation temperature (K) at 10-4 atm Relative abundance 3.2 3.1 3.0 2.9 2.8 2.7 Lithophile elements Refractories Moderately volatiles Volatiles Planetary volatility trend @1AU Mantle 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。 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 (Mantle+Crust)/C1 1.0 D~200 0.1 D~3100 0.01 低 高 0.001 難揮発性の元素 揮発性・やや揮発性の元素 ＜1300K 親鉄元素 Re Os Ir Au Fe Co Ni Cu Zn P In Cd Ge Ag Cr Mn Ga Sn Na K Rb Cs Tl Pb Bi Zr Mg Nb Al Si Ca Sc Ti Sr Y Ba La Ce Nd Sm Eu Tb Yb Lu Ta Th U V Li 強親鉄元素 難揮発性の親石元素 揮発性の程度 低 高 揮発性元素 D~200 D~3100
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
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。 での核形成 Ni Ｄ, 分配係数 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 (Mantle+Crust)/C1 1.0 0.1 0.01 低 高 0.001 難揮発性の元素 揮発性・やや揮発性の元素 ＜1300K 親鉄元素 Re Os Ir Au Fe Co Ni Cu Zn P In Cd Ge Ag Cr Mn Ga Sn Na K Rb Cs Tl Pb Bi Zr Mg Nb Al Si Ca Sc Ti Sr Y Ba La Ce Nd Sm Eu Tb Yb Lu Ta Th U V Li 強親鉄元素 難揮発性の親石元素 揮発性の程度 低 高 揮発性元素
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 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
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 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