基于巖石樣本數據的地球內部物質化學成分統計分析及其對地球構造的影響

李晶晶

(成都理工大學,成都 610059)

0 引言

地球是我們的母星,自其形成以來經歷了長達數十億年的演化過程,在這漫長的歷程中,地球內部物質不斷進行化學交互及物理變化,形成了復雜的地球結構。研究表明,地球內部結構大致可分為地殼、地幔及核3個部分,每個部分都有其獨特的化學成分級物理性質[1],這些化學成分對于地球的構造、地震、火山活動等都有著深遠的影響[2],對這些數據進行統計分析,可更加準確地了解地球內部物質的化學組成,更好地理解地球構造及演化過程[3],這種研究對于地震預測、礦產資源的勘探及開發等都有重要的意義[4]。本研究基于巖石樣本數據進行地球內部物質化學成分的統計分析,探討其對地球構造的影響。主要使用兩種數據來源來探索地球內部物質的化學組成,其中巖石樣本數據來源于各個地質學研究所和大學實驗室的收藏。巖石樣本包括從地表到地殼深部的各種類型,如玄武巖、花崗巖、片麻巖等。每個樣本都進行了詳細的化學成分分析,得到了主要元素與微量元素含量。地質鉆探數據主要來源于國內外的大型地質勘探項目。鉆探數據不僅提供了巖石的化學組成,還提供了巖石的物理性質、深度、溫度等信息,這些數據為人們提供了一個完整的地球內部物質垂直剖面。為了進行有效的統計分析[5],需對原始數據進行預處理。進行數據清洗,移除缺失值、異常值及重復數據。對于化學成分的數據,需確保所有數據都是以相同的單位百分比表示。數據轉化,將原始數據轉化為可以進行統計分析的格式。例如,將巖石的化學成分數據轉化為一個二維數組,其中行表示巖石樣本,列表示各個化學元素的含量。進行數據標準化,不同化學元素的含量范圍可能會有很大的差異,故需對數據進行標準化,令所有數據都在同一個尺度上[6]。以上研究方法為人們提供了一個完整的框架,從原始數據中提取有價值的信息,探索地球內部物質的化學組成與地球構造的關系。

1 地球內部物質的化學成分統計分析

1.1 巖石樣本的化學組成數據展示

為了系統地揭示地球內部物質的化學特點,從多個地質鉆探點收集了大量的巖石樣本并進行詳細的化學分析?？傮w化學組成:對所有巖石樣本數據進行平均,得到地球內部物質的總體化學組成。結果顯示,硅、氧是主要元素,其他如鋁、鐵、鈣、鈉、鉀的含量相對較高。

不同深度的化學組成:對不同深度的巖石樣本進行分析,發現地殼、地幔及地核的化學組成存在明顯差異。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 數據可視化

為了更直觀地展示上述數據,使用柱狀圖、餅圖及散點圖等統計圖表來展示實驗結果。

從圖1可以看出,不同深度的巖石樣本中各個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相吻合。鋁 (Al)、鈣 (Ca)、鈉 (Na) 及鉀 (K) 在地殼部分含量相對較高,這與這些元素主要存在于地殼的長石、云母及斜長石礦物中的事實相符。

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組成。每個元素的含量用一個扇形來表示,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組成:氧 (O) 占據了最大的比例,約為40%,這與氧是地殼中最主要的元素的事實相符。硅 (Si) 的比例相對較高,約為30%。鋁 (Al) 和 鐵 (Fe) 分別占據了8%、12%。鈣 (Ca)、鈉 (Na) 和 鉀 (K) 的比例則相對較低,分別為5%、3%、2%[7]。

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

繪制散點圖展示巖石樣本中硅和氧含量之間的關系。

從圖3可以看出,硅和氧的含量之間存在明顯的正相關性。說明在大多數巖石樣本中,硅的含量增加時,氧的含量也相應增加,反之亦然。由于硅和氧主要存在于硅酸鹽礦物中,這種關系印證了硅酸鹽礦物在地殼中的普遍存在。雖然大部分數據點都聚集在一條直線附近,但也存在一些偏離這條直線的數據點。這可能是由于巖石中其他礦物的存在或化學分析的誤差導致的。

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

通過3種統計圖表得到了關于地球內部物質化學成分的直觀信息,這對于理解地球構造及演化過程非常有幫助。

2 地球內部物質化學成分與地球構造的關系

2.1 化學成分對地球地殼、地幔、地核構造的影響

地球內部結構大致可分為地殼、地幔及地核3部分,每個部分都由其特有的化學成分及物理性質所定義。地殼主要由硅酸鹽礦物構成,如長石、石英及云母。這些礦物富含硅 (Si) 和氧 (O)。硅和氧的相對豐度決定了地殼的輕質性及低密度特征,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。外核是液態的,而內核則是固態的,這主要由溫度及壓力變化引起的。

2.2 化學成分與地球地震、火山活動的關系

地震活動主要與地殼和地幔的物理性質有關,但這些物理性質又與化學成分密切相關。例如,地幔中的某些區域可能由于含有較多的水或其他揮發物而變得更加易于變形。這種化學異質性可能導致板塊邊界處的應力積累,從而觸發地震。

火山巖漿的來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成分有關。例如,含有較多水分的地幔在較低的溫度下會開始熔化,產生含有較多硅的巖漿。這種巖漿在上升到地表時可能形成火山噴發[9]。

2.3 數據可視化

為了更直觀地展示地震活動與某種元素分布的相關性,繪制一個散點圖,展示地震頻率與某地區的硅 (Si) 含量之間的關系。

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。這可能意味著地區內較高的硅含量與更頻繁的地震活動之間存在某種關聯。這種關系可能是由于含有較多硅的巖石對應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,從而導致更多的地震。雖然數據點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據點。這種偏離可能是由于其他地質因素的影響造成的,如板塊的相對移動速度、地殼厚度及地下熱流分布等。

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

通過這種統計圖表可以更好地理解地球內部物質的化學成分與地球構造之間的復雜關系。這種關系對于地震預測、火山活動研究及地質資源勘探等都有重要的意義。

3 結論與討論

在對地球內部物質的化學成分及其與地球構造的關系進行研究后得出了以下結論:地球的內部結構,即地殼、地幔和地核具有獨特的化學組成。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。化學成分與地質活動,如地震和火山噴發之間存在密切關系。含水的地幔區域更容易產生熔巖,這可能導致火山噴發。數據可視化分析顯示,地震活動的頻率與地區的硅含量之間存在一定的正相關性,這可能與陸地板塊的相互作用有關。

此研究為理解地球內部物質的化學成分及其與地球構造的關系提供了參考,但仍有許多問題有待解決。為了更全面地了解地球的內部結構,需要在更深的地方進行鉆探,特別是在地幔的過渡帶及核-地幔邊界處[10]。地球科學是一個多學科交叉領域,需要地球化學家、地球物理學家及地質學家的緊密合作。隨著技術的進步,可利用高性能計算機來模擬地球的內部過程,如巖漿上升、板塊碰撞及地球的熱演化等。在進行地質鉆探和其他實地研究時,需考慮其對環境的影響,采取措施減少對生態系統的破壞。