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地球科学家是怎么估算出一种矿物在地球中占比的?

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比如新闻中这种:Solidot | 地球最丰富的矿物质有了正式名字

多亏了 1879 年坠落在澳大利亚的一颗陨石,占地球三分之一的矿物质终于有了正式名称
根据国际矿物学协会的规定,科学家只有在研究了天然样本之后才能给矿物质命名。然而刚刚命名的新矿物通常只能在地表 660 公里深处的压力下保持稳定,矿物质的天然版本显然遥不可及。

既然采集天然样本都是不可能的,那矿物质在地球中的含量是怎么算出的呢?

猎狗先生,地球化学,重度拖延症

题主所给出的 Bridgmanite 的含量是可以估算出来的。

我跟大家可以达成一致共识:矿物的具体含量无法计算的。因为矿物广泛分布的特性和人类勘探能力的限制使得我们并不能准确的计算某种矿物总量,甚至连估算都很困难。我们目前所讨论的矿物种类十分庞大且相对于地球质量而言某种矿物的总质量远远不如。

那么题主所说的 bridgmanite 在报道中出现的占总质量 1/3,38%这些数据是怎么算出来的呢?

先明确一下 Bridgmanite 到底是什么。它的分子式是(Mg,Fe)SiO3,在正式定名之前有两个名字:(Mg,Fe)SiO3-perovskite 和 silicate perovskite,也就是含铁的镁硅酸盐的钙钛矿相

让我们来看一下 Caltech 自己的报道中有没有上述的数据:Earth-Building Bridgmanite

paper:
Discovery of bridgmanite, the most abundant mineral in Earth, in a shocked meteorite

看下来以后好像并没有嘛,但我们注意到这样一段:

High-pressure and temperature experiments, as well as seismic data, strongly suggest that (Mg,Fe)SiO3-perovskite—now simply called bridgmanite—is the dominant material in the lower mantle. But since it is impossible to get to the earth's lower mantle, located some 400 miles deep within the planet, and rocks brought to the earth's surface from the lower mantle are exceedingly rare, naturally occurring examples of this material had never been fully described.

好嘛,在这里面我们找不到就去下地幔里找嘛,目前下地幔的模型有两种,pyrolite 模型和 piclogite 模型,前者是由 Ringwood 提出的,后者是有 Anderson 和 Bass 提出的。目前 pyrolite 模型在学界已经得到了广泛的认可,而 piclogite 则缺乏相应的高温高压实验研究结果。

那我们就用地幔岩模型好了,根据地幔岩模型(Pyrolite),下地幔中约有 70-80%的 Mg,Fe 钙钛矿型矿物,而根据地球初步参考模型(PREM),下地幔占地球总体积的 55%。那么我们按照下限来计算得到结果就是这种钙钛矿型矿物占地球总体积的 38.5%。这就是题主给的文章中数据的来源。

当然这个真是正儿八经的估算,到目前为止上面两个数据的准确性都值得商榷,Pyrolite 模型在不停的变化中,其中 70-80%这个数据已经不再是一个准确的数字,根据 2004 年 Murakami,Hirose 等发现的钙钛矿会在下地幔底部 D"层发生相变后钙钛矿(post-perovskite)以及 Sound velocity of MgSiO3 post-perovskite phase: A constraint on the D″ discontinuity 用地震学数据证实这一观点后,下地幔矿物组成模型又发生了改变(如下图)。

地幔岩矿物组成随深度的变化(from Ono,2008)

下地幔中 Ca 钙钛矿,(Mg,Fe)SiO3 钙钛矿和(Mg,Fe)O 镁方铁矿及其他高温高压矿物的相对含量又成为新的研究前沿。所以不用太纠结于这个数字,只要知道量很大就对了,我所看到的国外报道中也更多是使用了 most abundant 和 majority 这种词。

以上