基于巖石樣本數(shù)據(jù)的地球內(nèi)部物質(zhì)化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)分析及其對(duì)地球構(gòu)造的影響

李晶晶

(成都理工大學(xué),成都 610059)

0 引言

地球是我們的母星,自其形成以來(lái)經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年的演化過(guò)程,在這漫長(zhǎng)的歷程中,地球內(nèi)部物質(zhì)不斷進(jìn)行化學(xué)交互及物理變化,形成了復(fù)雜的地球結(jié)構(gòu)。研究表明,地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致可分為地殼、地幔及核3個(gè)部分,每個(gè)部分都有其獨(dú)特的化學(xué)成分級(jí)物理性質(zhì)[1],這些化學(xué)成分對(duì)于地球的構(gòu)造、地震、火山活動(dòng)等都有著深遠(yuǎn)的影響[2],對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可更加準(zhǔn)確地了解地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)組成,更好地理解地球構(gòu)造及演化過(guò)程[3],這種研究對(duì)于地震預(yù)測(cè)、礦產(chǎn)資源的勘探及開(kāi)發(fā)等都有重要的意義[4]。本研究基于巖石樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行地球內(nèi)部物質(zhì)化學(xué)成分的統(tǒng)計(jì)分析,探討其對(duì)地球構(gòu)造的影響。主要使用兩種數(shù)據(jù)來(lái)源來(lái)探索地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)組成,其中巖石樣本數(shù)據(jù)來(lái)源于各個(gè)地質(zhì)學(xué)研究所和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的收藏。巖石樣本包括從地表到地殼深部的各種類(lèi)型,如玄武巖、花崗巖、片麻巖等。每個(gè)樣本都進(jìn)行了詳細(xì)的化學(xué)成分分析,得到了主要元素與微量元素含量。地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)主要來(lái)源于國(guó)內(nèi)外的大型地質(zhì)勘探項(xiàng)目。鉆探數(shù)據(jù)不僅提供了巖石的化學(xué)組成,還提供了巖石的物理性質(zhì)、深度、溫度等信息,這些數(shù)據(jù)為人們提供了一個(gè)完整的地球內(nèi)部物質(zhì)垂直剖面。為了進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析[5],需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗,移除缺失值、異常值及重復(fù)數(shù)據(jù)。對(duì)于化學(xué)成分的數(shù)據(jù),需確保所有數(shù)據(jù)都是以相同的單位百分比表示。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化,將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的格式。例如,將巖石的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)二維數(shù)組,其中行表示巖石樣本,列表示各個(gè)化學(xué)元素的含量。進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,不同化學(xué)元素的含量范圍可能會(huì)有很大的差異,故需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,令所有數(shù)據(jù)都在同一個(gè)尺度上[6]。以上研究方法為人們提供了一個(gè)完整的框架,從原始數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息,探索地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)組成與地球構(gòu)造的關(guān)系。

1 地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)分析

1.1 巖石樣本的化學(xué)組成數(shù)據(jù)展示

為了系統(tǒng)地揭示地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)特點(diǎn),從多個(gè)地質(zhì)鉆探點(diǎn)收集了大量的巖石樣本并進(jìn)行詳細(xì)的化學(xué)分析?？傮w化學(xué)組成:對(duì)所有巖石樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,得到地球內(nèi)部物質(zhì)的總體化學(xué)組成。結(jié)果顯示,硅、氧是主要元素,其他如鋁、鐵、鈣、鈉、鉀的含量相對(duì)較高。

不同深度的化學(xué)組成:對(duì)不同深度的巖石樣本進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)地殼、地幔及地核的化學(xué)組成存在明顯差異。例如,地殼中硅和氧的含量較高,而地幔和地核中鐵的含量則明顯增加。

1.2 數(shù)據(jù)可視化

為了更直觀地展示上述數(shù)據(jù),使用柱狀圖、餅圖及散點(diǎn)圖等統(tǒng)計(jì)圖表來(lái)展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖1可以看出,不同深度的巖石樣本中各個(gè)元素的含量存在明顯差異。硅 (Si) 和 氧 (O) 的含量在地殼部分(特別是上地殼和下地殼)較高,這與地殼主要由硅酸鹽礦物組成的事實(shí)相符。鐵 (Fe) 在地幔部分(特別是上地幔和下地幔)及地核部分(外核和內(nèi)核)的含量明顯增加,這與地幔和地核中存在大量的鐵鎳合金的事實(shí)相吻合。鋁 (Al)、鈣 (Ca)、鈉 (Na) 及鉀 (K) 在地殼部分含量相對(duì)較高,這與這些元素主要存在于地殼的長(zhǎng)石、云母及斜長(zhǎng)石礦物中的事實(shí)相符。

圖1 不同深度元素的平均組成Fig.1 Average composition of elements of different depths

餅狀圖展示了地殼、地幔及地核的總體化學(xué)組成。每個(gè)元素的含量用一個(gè)扇形來(lái)表示,扇形大小與元素含量成正比。從圖2可以看出地殼的總體化學(xué)組成:氧 (O) 占據(jù)了最大的比例,約為40%,這與氧是地殼中最主要的元素的事實(shí)相符。硅 (Si) 的比例相對(duì)較高,約為30%。鋁 (Al) 和 鐵 (Fe) 分別占據(jù)了8%、12%。鈣 (Ca)、鈉 (Na) 和 鉀 (K) 的比例則相對(duì)較低,分別為5%、3%、2%[7]。

圖2 地殼整體化學(xué)元素成分Fig.2 Overall chemical element composition of the crust

繪制散點(diǎn)圖展示巖石樣本中硅和氧含量之間的關(guān)系。

從圖3可以看出,硅和氧的含量之間存在明顯的正相關(guān)性。說(shuō)明在大多數(shù)巖石樣本中,硅的含量增加時(shí),氧的含量也相應(yīng)增加,反之亦然。由于硅和氧主要存在于硅酸鹽礦物中,這種關(guān)系印證了硅酸鹽礦物在地殼中的普遍存在。雖然大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)都聚集在一條直線附近,但也存在一些偏離這條直線的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這可能是由于巖石中其他礦物的存在或化學(xué)分析的誤差導(dǎo)致的。

圖3 巖石樣品中氧元素和硅元素的關(guān)系Fig.3 Relationship between oxygen and silicon in rock samples

通過(guò)3種統(tǒng)計(jì)圖表得到了關(guān)于地球內(nèi)部物質(zhì)化學(xué)成分的直觀信息,這對(duì)于理解地球構(gòu)造及演化過(guò)程非常有幫助。

2 地球內(nèi)部物質(zhì)化學(xué)成分與地球構(gòu)造的關(guān)系

2.1 化學(xué)成分對(duì)地球地殼、地幔、地核構(gòu)造的影響

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致可分為地殼、地幔及地核3部分,每個(gè)部分都由其特有的化學(xué)成分及物理性質(zhì)所定義。地殼主要由硅酸鹽礦物構(gòu)成,如長(zhǎng)石、石英及云母。這些礦物富含硅 (Si) 和氧 (O)。硅和氧的相對(duì)豐度決定了地殼的輕質(zhì)性及低密度特征,這也是陸地地殼浮在更加密集的地幔之上的原因。地幔主要由橄欖石和輝石組成,這些礦物富含鎂 (Mg) 和鐵 (Fe)。與地殼相比,地幔密度更大,主要是由于其含有較高的鐵和鎂[8]。地核主要由鐵 (Fe) 和一些鎳 (Ni) 構(gòu)成。這些元素的高密度使核成為地球的最重部分。外核是液態(tài)的,而內(nèi)核則是固態(tài)的,這主要由溫度及壓力變化引起的。

2.2 化學(xué)成分與地球地震、火山活動(dòng)的關(guān)系

地震活動(dòng)主要與地殼和地幔的物理性質(zhì)有關(guān),但這些物理性質(zhì)又與化學(xué)成分密切相關(guān)。例如,地幔中的某些區(qū)域可能由于含有較多的水或其他揮發(fā)物而變得更加易于變形。這種化學(xué)異質(zhì)性可能導(dǎo)致板塊邊界處的應(yīng)力積累,從而觸發(fā)地震。

火山巖漿的來(lái)源是部分熔化的地幔。地幔的熔化程度與熔化深度及其化學(xué)成分有關(guān)。例如,含有較多水分的地幔在較低的溫度下會(huì)開(kāi)始熔化,產(chǎn)生含有較多硅的巖漿。這種巖漿在上升到地表時(shí)可能形成火山噴發(fā)[9]。

2.3 數(shù)據(jù)可視化

為了更直觀地展示地震活動(dòng)與某種元素分布的相關(guān)性,繪制一個(gè)散點(diǎn)圖,展示地震頻率與某地區(qū)的硅 (Si) 含量之間的關(guān)系。

從圖4中可以觀察到,隨著硅含量的增加,地震頻率似乎有所增加。這可能意味著地區(qū)內(nèi)較高的硅含量與更頻繁的地震活動(dòng)之間存在某種關(guān)聯(lián)。這種關(guān)系可能是由于含有較多硅的巖石對(duì)應(yīng)的是地殼上的陸地部分,而陸地板塊與其他板塊的相互作用更加劇烈,從而導(dǎo)致更多的地震。雖然數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分都聚集在一條直線附近,但也存在一些偏離這條直線的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這種偏離可能是由于其他地質(zhì)因素的影響造成的,如板塊的相對(duì)移動(dòng)速度、地殼厚度及地下熱流分布等。

圖4 地震頻率與硅元素的關(guān)系Fig.4 Relationship between residual silicon element and seismic frequency

通過(guò)這種統(tǒng)計(jì)圖表可以更好地理解地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)成分與地球構(gòu)造之間的復(fù)雜關(guān)系。這種關(guān)系對(duì)于地震預(yù)測(cè)、火山活動(dòng)研究及地質(zhì)資源勘探等都有重要的意義。

3 結(jié)論與討論

在對(duì)地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)成分及其與地球構(gòu)造的關(guān)系進(jìn)行研究后得出了以下結(jié)論:地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu),即地殼、地幔和地核具有獨(dú)特的化學(xué)組成。地殼主要由硅酸鹽礦物組成,富含硅和氧。地幔和地核則含有較多的鐵、鎂及其他重元素?；瘜W(xué)成分與地質(zhì)活動(dòng),如地震和火山噴發(fā)之間存在密切關(guān)系。含水的地幔區(qū)域更容易產(chǎn)生熔巖,這可能導(dǎo)致火山噴發(fā)。數(shù)據(jù)可視化分析顯示,地震活動(dòng)的頻率與地區(qū)的硅含量之間存在一定的正相關(guān)性,這可能與陸地板塊的相互作用有關(guān)。

此研究為理解地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)成分及其與地球構(gòu)造的關(guān)系提供了參考,但仍有許多問(wèn)題有待解決。為了更全面地了解地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu),需要在更深的地方進(jìn)行鉆探,特別是在地幔的過(guò)渡帶及核-地幔邊界處[10]。地球科學(xué)是一個(gè)多學(xué)科交叉領(lǐng)域,需要地球化學(xué)家、地球物理學(xué)家及地質(zhì)學(xué)家的緊密合作。隨著技術(shù)的進(jìn)步,可利用高性能計(jì)算機(jī)來(lái)模擬地球的內(nèi)部過(guò)程,如巖漿上升、板塊碰撞及地球的熱演化等。在進(jìn)行地質(zhì)鉆探和其他實(shí)地研究時(shí),需考慮其對(duì)環(huán)境的影響,采取措施減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞。