9. 地球と太陽系組成の比較
上段には、地球の岩石と隕石の比較から推定された地球全体 (金属核含む) の平均組成 (単位: 質量 %; Allègre et al., 2001) が示されている。下段の数値と枠の色はそれを CI コンドライト隕石の組成 (Palme et al., 2014) で割った比を示す。地球は太陽系の組成と比べて、揮発性元素が枯渇している。
1
H
2
He
6.19E-11%
0.00
3
Li
2.30E-4%
1.60
4
Be
4.6E-6%
2.10
5
B
2.58E-5%
0.33
6
C
0.17%
0.05
7
N
1.27E-4%
0.00
8
O
32.4%
0.71
9
F
5.12E-4%
0.09
10
Ne
1.09E-9%
0.06
11
Na
0.187%
0.38
12
Mg
15.8%
1.65
13
Al
1.51%
1.79
14
Si
17.1%
1.62
15
P
0.069%
0.69
16
S
0.46%
0.09
17
Cl
1.0E-3%
0.01
18
Ar
3.85E-9%
0.03
19
K
0.0171%
0.31
20
Ca
1.62%
1.78
21
Sc
1.01E-3%
1.76
22
Ti
0.0764%
1.73
23
V
9.3E-3%
1.72
24
Cr
0.424%
1.60
25
Mn
0.139%
0.72
26
Fe
28.8%
1.54
27
Co
0.0804%
1.58
28
Ni
1.69%
1.56
29
Cu
6.47E-3%
0.49
30
Zn
2.4E-3%
0.08
31
Ga
3.13E-4%
0.33
32
Ge
7.30E-4%
0.22
33
As
1.06E-4%
0.61
34
Se
2.52E-4%
0.13
35
Br
4.0E-5%
0.12
36
Kr
2.82E-10%
0.05
37
Rb
6E-5%
0.26
38
Sr
1.37E-3%
1.77
39
Y
2.4E-4%
1.64
40
Zr
6.79E-4%
1.89
41
Nb
4.71E-5%
1.66
42
Mo
1.66E-4%
1.75
43
Tc
44
Ru
1.17E-4%
1.69
45
Rh
2.3E-5%
1.75
46
Pd
8.83E-5%
1.60
47
Ag
4.58E-6%
0.23
48
Cd
1.82E-5%
0.27
49
In
9.42E-7%
0.12
50
Sn
3.94E-5%
0.24
51
Sb
4.0E-6%
0.28
52
Te
3.13E-5%
0.14
53
I
4.05E-6%
0.08
54
Xe
3.38E-11%
0.00
55
Cs
4.12E-6%
0.22
56
Ba
4.08E-4%
1.69
57-71
72
Hf
1.99E-5%
1.87
73
Ta
2.79E-6%
1.87
74
W
1.72E-5%
1.80
75
Re
6.25E-6%
1.55
76
Os
8.20E-5%
1.65
77
Ir
7.66E-5%
1.64
78
Pt
1.56E-4%
1.69
79
Au
1.02E-5%
0.69
80
Hg
81
Tl
4E-7%
0.03
82
Pb
6.96E-5%
0.27
83
Bi
1.6E-6%
0.15
84
Po
85
At
86
Rn
87
Fr
88
Ra
89-103
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Cn
113
Nh
114
Fl
115
Mc
116
Lv
117
Ts
118
Og
57
La
4.15E-5%
1.73
58
Ce
1.09E-4%
1.76
59
Pr
1.65E-5%
1.75
60
Nd
8.14E-5%
1.72
61
Pm
62
Sm
2.59E-5%
1.70
63
Eu
9.79E-6%
1.67
64
Gd
3.48E-5%
1.69
65
Tb
6.66E-6%
1.76
66
Dy
4.24E-5%
1.66
67
Ho
9.56E-6%
1.69
68
Er
2.78E-5%
1.68
69
Tm
4.21E-6%
1.62
70
Yb
2.78E-5%
1.66
71
Lu
4.25E-6%
1.70
89
Ac
90
Th
5.1E-6%
1.72
91
Pa
92
U
1.44E-6%
1.80
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr
NOTE
9-1 地球全体 (地殻 + マントル + 金属核) の平均組成を推定する際の大きな不確定要素は金属核の組成である。マントルとは違い、核由来の物質は採取できそうにないので、何らかの仮定を課して推定するしかない。
主成分は Fe と Ni の合金と考えられるが、地震波観測から得られる密度構造は純粋な鉄のそれよりも小さいため、軽元素もいくらか含まれる (e.g. Ikuta et al, 2023)。主要な軽元素の候補としては、太陽系に多く存在し、高温高圧下での金属-ケイ酸塩間の分配係数がそれなりに高い可能性がある Si、S、O、C、P、H が挙げられる。
具体的にどの軽元素がどの割合で含まれるかは、本ページに載せたような、隕石との比較による地球全体の組成推定の他に、高圧実験や第一原理計算による分配係数の決定、地球の形成・分化過程のモデル構築などの方向性から研究が行われているが、様々な議論のある状況である (cf. 市川 & 土屋, 2018; Yoshizaki & McDonough, 2021; Li & Du, 2022)。
9-2 Allègre et al. (1995, 2001) の全球組成の推定は、大まかに次の手順で行われている。
親石元素の推定
NOTE 11-3 で説明しているような手法によって、BSE (= 全球 - 核) の組成を推定する。核に存在しないと考えられる親石元素 (Mg, Ca, Al, アルカリ金属, ハロゲンなど) については、マントルと核の質量比から、全球における濃度も直ちに求まる。
ここで得られた組成について、図 9-1、図 9-2 からも分かるように、(普通/エンスタタイトコンドライトではなく) 炭素質コンドライトの回帰直線に地球組成が乗ることが、以下の推定における作業仮説になる。
主要元素の推定
核にもいくらか存在すると考えられる主要元素 (Fe, Si, Ni, S など) は、図 9-1 の方法で、炭素質コンドライトとの比較により決定される。核の O 濃度については、Si、S、O の 3 軽元素によって、核の密度が純粋鉄に比べて 10 % 減少していると仮定して推定される。
図 9-1. Allègre et al. (1995) の推定方法の再現。▼ 3 元素間の質量濃度比が示されている。▼ Mg, Al, Ca, K は金属核には存在しないと考えられるので、それらの比については、BSE の推定値が全球での値とみなされる。金属核にもいくらか存在すると考えられる主要元素については、炭素質コンドライトの回帰直線に地球が乗るという仮定の下で、既知の組成比から推定される (図の点線)。▼コンドライトの組成は Lodders (2021) のデータを用いた。 Allègre et al. (1995) で推定された核の組成を表にまとめる。純粋に上述の方法で求まった核の組成は、合計して 97.50 質量 % であったため、合計を 100 % にするために、一律に 1.025 乗じられている。
元素 質量濃度 Fe 79.39 % Ni 4.87 % Si 7.35 % S 2.30 % O 4.10 % Mn 0.582 % Cr 0.779 % Co 0.253 % P 0.369 % 揮発性親石元素からの仮定
アルカリ金属やハロゲンのような揮発性の親石元素 X1, X2 について、例えば X1/Ca vs X2/Ca の相関図を描くと、地球の組成が炭素質コンドライトの描く直線上に乗ることが示される (図 9-2)。特に、 CV コンドライトと CI コンドライトに対して、どの元素も次の関係にあり、Q = 1.17 と推定される。
図 9-2. 揮発性親石元素についてのコンドライトと BSE の比較。▼ 3 元素間の質量濃度比が示されている。▼図に示された元素は、金属核にはほとんど存在しないと考えられるので、BSE の推定値を全球での値とみなして良い。▼コンドライト組成は Lodders (2021)、BSE 組成は Palme & O'Neill (2014) のデータを用いた。 揮発性元素の振り分け
揮発性の強い元素ほど、含有率の CV コンドライト / CI コンドライト比は小さい。この比較から、微量元素を揮発性元素と難揮発性元素のどちらかに振り分ける。
揮発性元素の推定
CV コンドライトと CI コンドライトに対する上で述べた相対関係が揮発性元素全てに適用できると仮定し、コンドライトの測定値から全球組成を決定する。
難揮発性元素の推定
残りの難揮発性元素に対しても同様にして、既に求まっている元素の CV コンドライトと CI コンドライトに対する相対関係が全ての元素に適用できると仮定して、コンドライトの測定値から全球組成を決定する。
参考文献
- Allègre, C. J., Poirier, J.-P., Humler, E. and Hofmann, A. W. (1995) The chemical composition of the Earth. Earth and Planetary Science Letters, 134, 515-526. DOI: 10.1016/0012-821X(95)00123-T.
- Allègre, C., Manhès, G. and Lewin, É. (2001) Chemical composition of the Earth and the volatility control on planetary genetics. Earth and Planetary Science Letters, 185, 49-69. DOI: 10.1016/S0012-821X(00)00359-9.
- Ikuta, D., Ohtani, E., Fukui, H., Sakamaki, T., Heid, R., Ishikawa, D. and Baron, A. Q. R. (2023) Density deficit of Earth's core revealed by a multimegabar primary pressure scale. Science Advances, 9, eadh8706. DOI: 10.1126/sciadv.adh8706.
- Li, Q. and Du, W. (2022) Geochemical models of core-mantle differentiation. Acta Geochimica, 41, 607-624. DOI: 10.1007/s11631-022-00548-9.
- Lodders, K. (2021) Relative atomic solar system abundances, mass fractions, and atomic masses of the elements and their isotopes, composition of the solar photosphere, and compositions of the major chondritic meteorite groups. Space Science Reviews, 217, 44. DOI: 10.1007/s11214-021-00825-8.
- Moynier, F. and Fegley, B., Jr. (2015) The Earth's building blocks, in The Early Earth, eds. Badro, J. and Walter, M. (American Geophysical Union), chapter 2. DOI: 10.1002/9781118860359.ch2.
- Palme, H. and O'Neill, H. St. C. (2014) Cosmochemical estimates of mantle composition, in Treatise on Geochemistry, 2nd edn., ed. Holland, H. D. and Turekian, K. K. (Elsevier), 2, 15-36. DOI: 10.1016/B978-0-08-095975-7.00201-1.
- Palme, H., Lodders, K. and Jones, A. (2014) Solar system abundances of the elements, in Treatise on Geochemistry, 2nd edn., ed. Holland, H. D. and Turekian, K. K. (Elsevier), 2, 15-36. DOI: 10.1016/B978-0-08-095975-7.00118-2.
- Yoshizaki, T. and McDonough, W. F. (2021) Earth and Mars - Distinct inner solar system products. Geochemistry, 81, 125746. DOI: 10.1016/j.chemer.2021.125746.
- 市川浩樹, 土屋卓久. (2018) 外核の化学組成. 地学雑誌, 127, 631-646. DOI: 10.5026/jgeography.127.631.
注意書き
- 地学や天文学の学習のサポートや、エンターテインメントとして楽しんで頂くことを目的に制作しました。掲載されたデータの正確性を求める方は、元論文を参照してください。
- 大画面デバイスを想定してレイアウトを構成しています。最新版のモダンブラウザ (Chrome, Safari, Edge, Firefox など) 以外では、意図されない挙動をするかもしれません。
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