Forelæsning 2 Geokemisk affinitet og differentiation af Jorden Forelæsning: Jordens nutidige opbygning i kerne, kappe, og skorpe Den tidlige Jords geokemiske udvikling (differentiation) i Hadean (4.56 3.9 Ga) Geokemisk affinitet (Goldschmidts klassifikation) Fordeling af grundstoffer Princippet om massebevarelse F2 1 Øvelse: Sammensætning af Kernen og Kappen; Fordeling af grundstoffer Geokemisk differentiation af Jorden oversigt (nucleosynthesis, mixing) Solar Nebula F2 2 (siderophile & chalcophile) Inner Core (late veneer) (volatiles) (lithophile) (refractories) Condensation and Accretion (atmophile) Core Silicate Earth Primitive Atmosphere (freezing) Outer Core Lower Mantle (hotspot plumes) Upper Mantle (plate tectonics: partial melting, recycling) Oceanic Crust (gas-solid equilibria) (melting; gravity and geochemical affinity) Primitive Mantle (partial melting; liquid-crystal partitioning) Continental Crust degassing (catastrophic impact) (continuing cometary flux?) (lost due to impacts) degassing Moon Modern Ocean & Atmosphere from Paul Asimow
Jordens opbygning idag F2 3 Jordens opbygning idag: fakta Faure (1998) F2 4 Nb! Tilsammen udgør kernen og kappen 99.6% af Jordens masse!
Jordens opbygning idag seismiske hastigheder Moho Moho F2 5 Konklusioner: a) tætheden stiger mod Jordens centrum b) ydre kerne er smeltet c) indre kerne i fast form Jordens opbygning idag densitet F2 6
Jordens opbygning idag lithosfære og asthenosfære F2 7 Den tidlige Jord i Hadean (4.56 3.9 Ga) Geologisk tidsskala F2 8
Den tidlige Jord i Hadean (4.56 3.9 Ga) I Hadean = hell on Earth Jorden og CI kulchondritter dannedes for 4.56 Ga år siden Stort set intet geologisk materiale er bevaret fra Hadean De ældste bjergarter vi kender er fra Grønland, Canada og Australien og er aldersbestemt til 4.0 3.9 Ga. [nogle få 4.2 4.4 Ga zirkonkorn er bevaret i Australien] Vi konkluderer at Jorden var så varm, at intet materiale var afkølet under lukketemperaturen for indfangning af radiogene datterisotoper For varmt til at damp kondenseres til vand F2 9 F2 10 Den tidlige Jord i Hadean (4.56 3.9 Ga) II Selvom Jorden dannedes ved kollision og sammensmeltning af størknet planetisimalt materiale antages det at energi fra impact af meteoritter (og dem var der mange af!), kompression og samling af Jorden i en sfære medførte total opsmeltning Opsmeltning medførte at Jorden afblandedes i to smelter (som vand og olie): en jernsmelte og en silikatsmelte Jernsmelten har størst densitet, segregeres og samles i Jordens kerne Silikatsmelten danner en kappe omkring kerne og betegnes Bulk Silikat Jord (BSE efter Bulk Silicate Earth)
Gravity reshapes the proto-earth into a sphere. The interior of the Earth separates into a core and mantle. Segregering af Jordens kerne F2 11 Kernen [jernssmelte] Forming the planets from planetesimals: Planetesimals grow by continuous collisions. Gradually, an irregularly shaped proto-earth develops. The interior heats up and becomes soft. Kappen: Bulk Silikat Jord [silikatsmelte] Segregering af Jordens kerne - hvornår? Dannelse af jernmeteoritter og achondriter Månens alder Dannelse af chondriter Jordens tilvækst slut 4.55 Ga 4.50 4.45 Muligt tidsinterval for segregering af kernen Kernen dannes 10 30 millioner år efter Jordens tilblivelse F2 12
Segregering af Jordens måne Soon after Earth forms, a small planet collides with it, blasting debris that forms a ring around the Earth. The Moon forms from the ring of debris. Månen dannes fra Bulk Silikat Jord F2 13 Månens geologiske historie - ultra kort: Dannet for c. 4.51 Ga siden fra Bulk Silicate Earth Manglen på et magnetisk felt viser at den ikke har en opsmeltet jernrig kerne (den har muligvis en lille størknet jernrig kerne) Månens radius (1738 km) er for lille til at bibeholde en atmosfære Månen var vulkansk aktiv fra 4.51 til c. 3.2 Ga Månens overflade består af gabbro, anorthosit og basalt dannet i et magma ocean under reducerende betingelser og lavt tryk, hvilket stabiliserer krystallisation af plagioklas i.f.t. Jorden F2 14 Månen er siden 3.2 Ga et dødt geologisk legeme
Månens mange kratere vidner om at den har været uddød i lang tid, ialt c. 3.200.000.000 år F2 15 Magma Ocean i Hadean (4.56 3.9 Ga) F2 16
Geokemisk affinitet af grundstoffer Observation I: Meteoritter består enten af metal (jernmeteoritter), silikat (stenmeteoritter), eller en blanding. Sulfid-rige meteoritter findes også Observation II: Opsmeltning af sulfid- og oxid-rige malmbjergarter (f.eks. Kupferschiefer i Tyskland) resulterer i afblanding i 3 smelter: jernsmelte sulfidsmelte silikatsmelte (slagger) F2 17 Goldschmidts eksperiment og geokemisk affinitet Opsmeltning af kulchondrit giver: Geokemisk affinitet: H, He, N, ædelgasser F2 18 NB! ved højt tryk afblandes sulfidsmelte ikke! Derfor segregeredes Jorden kun i en jernrig kerne og en silikatrig kappe.
Goldschmidts eksperiment og geokemisk affinitet atmos = græsk for damp/gas Lithos = græsk for sten Chalcos = græsk for kobber sideros = græsk for jern F2 19 Geokemisk affinitet overraskelser? F2 20 Overraskelser og kommentarer: a) O er lithofil [fordeles ind i silikatsmelten] b) C og P er siderofile [fordeles ind i kernen] c) Au, Sn, Pt, Pd, og Mo, som alle er vigtige industrielle metaller, er (desværre) fordelt ind kernen d) Co og Ni, der ofte findes i sulfidmalme, er siderofile og foretrækker jernsmelter hvis muligheden er tilstede e) Ti, Cr og Mn, som ofte er associeret med Fe i mafiske mineraler og basaltisk magma, er ikke siderofile, men lithofile
Geokemisk klassifikation i det Periodiske System 1 2 3 4 5 6 7 1 3 11 19 37 55 H Li Na 87 IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA K Rb Cs Fr 4 12 Be Mg 20 38 56 Ca Sr Ba 88 Ra IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB 21 39 Sc Y 22 40 72 Ti Zr Hf 104 Rf 23 41 V Nb 73 Atmophile Ta 105 Db 24 42 Cr Mo 74 W 106 Sg 25 Mn 43 75 Tc Re 107 Bh 26 44 76 Fe Ru Os 108 Hs 27 Co 45 77 Rh Ir 109 Mt Siderophile Lithophile Artificial Chalcophile 28 46 78 Ni Pd Pt 29 Cu 47 Ag 79 Au 30 48 Zn Cd 80 Hg 5 13 31 49 B Al Ga 81 In Tl 6 14 32 50 C Si Ge Sn 82 Pb 7 15 33 51 83 N P As Sb Bi 8 16 34 52 84 O S Se Te Po 9 17 35 53 85 F Cl Br I At 2 10 18 He Ne Ar 36 54 86 Kr Xe Rn Lanthanides 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu Actinides 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 97 Cm Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 102 Md No 103 Lr F2 21 Kvantificering af fordelingen af grundstoffer: fordelingskoefficient Fordelingskoefficienten, D, mellem silikat- og metallisk smelte er: D i Silikat/Metal = C i Silikat /C i Metal [hvor C er koncentrationen af grundstof i] Når: D Silikat/Metal i >1 er i kompatibelt eller fordelt ind i silikatsmelten D Silikat/Metal i <1 er i inkompatibelt eller ekskluderet fra silikatsmelten D Silikat/Metal i =1 har i ingen præference mellem silikat- og metalsmelte F2 22
Fordelingskoefficient silikat 1960 ppm Ni metal 52000 ppm Ni D Ni Silikat/Metal = 1960 ppm/52000 ppm = 0.038 m.a.o., Ni fordeles ind i metalsmelten; Ni er derfor inkompatibel (D Ni Silikat/Metal < 1) i silikatsmelten Man kan også sige, at Ni er kompatibel i metalsmelten F2 23 Princippet om Massebevarelse Teori: det hele er summen af delene som indgår For to komponenter gælder: A + B = C M A C i A + M B Ci B = M C Ci C p.g.a massebevarelse er M A +M B =M C derfor er (division med M A +M B ) (M A /(M A +M B ))C i A + (M B /(M A +M B ))Ci B = Ci C,massebrøk, f A =M A /(M A +M B ) medfører at f A C i A + f B Ci B = Ci C F2 24 = lign. 18.3 i Faure M A = masse af komponent A; C i A = koncentration af grundstof i i komponent A f A = M A /(M A +M B ) massebrøk af komponent A f A + f B = 1
Princippet om Massebevarelse F2 25 A + B = C Enhver proces kan enten beskrives som: differentiation, som udvikler et geokemisk reservoir til flere produkter. F.eks. segregering af Jorden i kerne og kappe, fraktioneret krystallisation af magma, partiel opsmeltning eller blanding differentiation blanding af to eller flere reservoirs. F.eks. to floder der løber sammen, blanding af to magmatyper, mekanisk mixing af kappe reservoirs Princippet om Massebevarelse, eksempel A + B = C blanding A indeholder 25 wt% SiO 2 ; B indeholder 35 wt% SiO 2 hvad er koncentrationen af SiO 2 i C? f A = f B = 0.5; C SiO2 A = 25 wt%; CSiO2 B = 35 wt% C SiO2 C = 0.5 x 25wt% + 0.5 x 35wt% = 30wt% F2 26