第 2 講 晶體化學與地球分異

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這講在回答:地球原本是一團組成大致均勻的物質,為什麼後來分成地核、地函、地殼?每一種元素各自跑到哪一層,又是為什麼?L1 交出了地球的原料清單,這一講要解釋原料怎麼被分配到各層。

考前 30 秒

  1. 半徑、電荷相近就能互相取代(Goldschmidt 規則);半徑小、電荷高的優先進入晶格。
  2. D=Cs/CLD = C_s/C_L:D < 1 的不相容元素在熔融時跑進熔體 → 累積在地殼。
  3. Batch melting:CL/C0=1/[D(1−F)+F]C_L/C_0 = 1/[D(1-F)+F],F 越小、D 越小,富集越多(最多 1/D 倍)。

先認識的名詞

名詞一句話
地化儲庫(reservoir)組成不同的區域:地核、地函、地殼、海洋、大氣
主要元素/微量元素含量 > 1 wt% 的約 10–12 個元素/含量 < 0.1 wt%,通常取代主要元素
離子半徑、離子勢離子的大小/電荷除以半徑
分配係數 D某元素在固體中的濃度 ÷ 在熔體中的濃度
相容/不相容D > 1,留在固體/D < 1,跑進熔體
熔融程度 F岩石熔掉的比例
REE(稀土元素)La 到 Lu 共 15 個(Pm 不穩定),都是 +3 價、半徑由大到小;分成 LREE(輕)和 HREE(重)

這一講的邏輯地圖

邏輯地圖
元素怎麼分到地核、地函、地殼?
先看化學個性,再看塞不塞得進晶格
元素有哪些化學個性?
價數、離子半徑、離子勢、電負度
第一次分家:跟誰走?
親鐵 → 地核;親硫 → 硫化物;親石 → 矽酸鹽;親氣 → 大氣
矽酸鹽裡再分:塞得進晶格嗎?
Goldschmidt 取代法則:半徑相近、電荷高的優先
「塞不塞得進」怎麼量化?
D = C固 / C液;D > 1 相容、D < 1 不相容
部分熔融時,熔體富集多少?
C_L/C₀ = 1/[D(1−F)+F],最多 1/D 倍
能不能反推岩漿從哪來?
REE 圖:OIB 陡(低 F、石榴子石);MORB 平或 LREE 虧損
手機上可以左右滑動看全圖。讀法:元素先依鍵結偏好分到地核、硫化物或矽酸鹽;留在矽酸鹽的,再依塞不塞得進晶格分到地函或地殼。按右上角的「考自己」會蓋住答案;節點右下的 ↗ 會跳到那一節。

★ = 考試重點。每一節最後有「自我檢測」,先自己回答再打開。

1. 分異:從均勻到分層

地球剛形成時,是一團組成類似某些隕石、大致均勻的物質。後來它在化學上分離成組成各不相同的區域:地核、地函、地殼、海洋、大氣,稱為地化儲庫。造成分離的主要有兩個過程。第一是金屬鐵下沉:早期地球溫度高,金屬 Fe 熔融後往下沉,把喜歡跟鐵走的元素一起帶進地核。第二是部分熔融:地函局部熔化,產生的熔體往上升形成地殼,把塞不進地函礦物的元素帶上來。

大氣 + 海洋親氣:N、H、惰性氣體不形成礦物地殼親石 + 不相容:Si、Al、K、Na、Rb、Ba、REE親硫礦床:Cu、Zn、Pb地函親石 + 相容:Mg、Ni、Cr、CoD > 1,熔融時留在殘餘固體地核親鐵:Fe、Ni、Au、Pt 族金屬 Fe⁰ 下沉部分熔融不相容 ↑金屬下沉
分異之後,元素住在哪裡。金屬鐵下沉時,把親鐵元素一起帶進地核;地函部分熔融時,不相容的親石元素(K、Rb、Ba、REE)進入熔體、上升形成地殼,相容的(Mg、Ni、Cr、Co)留在地函;親硫元素集中在硫化物礦床;親氣元素在大氣和海洋。自繪示意圖;概念參考:課堂投影片 L2 p.9–11

分異的結果可以直接從組成看出來(Table 21-2,投影片 p.11):

wt%SiO₂Al₂O₃FeOMgOCaONa₂OK₂O
Whole Earth47.93.98.934.13.20.250.02
Mantle45.73.48.038.43.10.40.1
Continental crust60.215.23.83.15.53.02.9

大陸地殼比地函富 Si、Al、Na、K、Ca,卻很少 Mg。這就是部分熔融的指紋:Mg 要很高的溫度才會進入熔體,所以大部分留在地函;Na、K 這類元素一開始熔就跑進熔體,被帶到地殼。

要理解這件事,得先知道一個關鍵:構成礦物骨架的主要元素(> 1 wt%)只有 10 到 12 個,其他上百種微量元素(< 0.1 wt%)量太少,自己通常不形成礦物,而是取代性質相近的主要元素,躲在主要元素的晶格位置裡。所以「某個微量元素去哪裡」,等於問「它長得像哪個主要元素」。這就是下一節要談的化學個性。

自我檢測 1
  1. 地球分異的兩個主要過程是什麼?各把哪類元素帶到哪裡?
  2. 為什麼大陸地殼很少 Mg?
  3. 微量元素為什麼要看它「像哪個主要元素」?

答案:(1) 金屬鐵下沉(親鐵元素 → 地核);部分熔融(不相容元素 → 地殼)。(2) Mg 要很高溫才進入熔體,大多留在地函。(3) 微量元素量少,自己不形成礦物,而是取代性質相近的主要元素,所以跟著那個主要元素走。

2. 決定元素去向的化學個性

元素的地球化學行為,主要由四個性質決定。第一是價數:比惰性氣體電子組態多或少幾個電子,鹼金屬 +1、鹼土金屬 +2、鹵素 −1。第二是離子半徑:同一族往下變大(多一層電子);同一週期往右變小(核電荷增加,把電子拉得更緊,這個效應大於電子之間的屏蔽);陰離子比陽離子大很多;而且要用相同的配位數比較才公平。REE 從 La 到 Lu 半徑一路遞減,叫做鑭系收縮。第三是離子勢,等於電荷除以半徑,它把前兩個性質合在一起,決定元素能放進哪一種晶格位置,也決定它在水中的行為(L5 會再用到)。第四是電負度和第一游離能:鹼金屬很容易失去電子,是電子的提供者;鹵素和氧很想要電子,是電子的接受者。

離子半徑(pm,Shannon,投影片 p.18)可以直接驗證這些趨勢:

離子Li⁺Na⁺K⁺Rb⁺Cs⁺Mg²⁺Ca²⁺Sr²⁺Ba²⁺Fe²⁺Al³⁺Si⁴⁺O²⁻Cl⁻
r76102138152167721001181357853.540140181

同一族往下變大(Li⁺ 76 → Cs⁺ 167);電荷越高越小(Na⁺ 102 > Mg²⁺ 72 > Al³⁺ 53.5 > Si⁴⁺ 40);陰離子很大(O²⁻ 140)。

0510152025HeLiNeNaArKKrRbXeCs1020304050原子序 Z第一游離能(eV)
第一游離能(拿走最外層一個電子所需的能量)對原子序。每一週期從左到右遞增,到惰性氣體(藍)最高,下一個鹼金屬(橘)突然掉到最低;同一族往下(例如 Li → Na → K → Rb → Cs)逐漸變小。游離能低的鹼金屬容易失去電子,是電子提供者;右邊的鹵素和氧則是電子接受者。自繪示意圖;概念參考:數據:NIST 原子游離能;課堂投影片 L2 p.22

兩個原子之間形成什麼鍵,由它們的電負度差決定。差很多就形成離子鍵(電子幾乎完全轉移);差不多就共用電子,形成共價鍵。但礦物裡沒有純離子鍵或純共價鍵:最重要的 Si–O 鍵大約一半離子、一半共價,意思是氧的電子雲被矽極化、變形了,但沒有完全轉移過去。

鍵本質
Ionic電子提供者與接受者之間的 Coulomb 吸引
Covalent電子共用
Metallic電子海,導電導熱
van der Waals誘導偶極,強度 ∝ 1/r⁶(距離加倍,強度變 1/64)
自我檢測 2
  1. 為什麼同一週期往右,離子半徑會變小?
  2. 離子勢是什麼?它為什麼重要?
  3. Si–O 鍵「一半離子、一半共價」是什麼意思?

答案:(1) 核電荷增加,把電子拉得更緊,這個效應大過電子之間的屏蔽。(2) 電荷 ÷ 半徑,決定元素能放進哪種晶格位置、在水中怎麼表現。(3) 氧的電子雲被矽極化變形,但電子沒有完全轉移。

3. 第一次分家:Goldschmidt 元素分類 ★

鍵結的偏好,決定了元素在地球分異時跟哪一相走。Goldschmidt 把元素分成四類:

類別特徵代表元素最後在哪
Siderophile 親鐵中間價態,跟金屬 Fe 一起走Fe、Ni、Co、Pt 族、Au、Mo、Re地核
Chalcophile 親硫部分共價,形成不溶的硫化物Cu、Zn、Pb、Ag、Cd、Hg、As、Sb、Se、S硫化物(礦床)
Lithophile 親石強離子鍵,形成矽酸鹽、氧化物鹼金屬、鹼土金屬、Al、Si、O、Ti、Zr、REE、Nb、Ta、W、B、P地函、地殼
Atmophile 親氣不容易形成礦物(惰性氣體、強共價鍵分子)H、N、惰性氣體大氣、海洋

Fe 自己進不進地核,取決於早期地球的氧化程度:以金屬 Fe⁰ 存在的沉進地核,被氧化成 FeO 的留在地函和地殼。

親石元素都留在矽酸鹽裡,但它們還會再分一次。較小、跟主要元素很像的(Mg、Ni、Cr、Co)留在地函;半徑很大的大離子親石元素(LILE:K、Rb、Cs、Ba)卻被送到地殼。為什麼?要看它們塞不塞得進地函礦物的晶格,這就是下一節。

自我檢測 3
  1. 四類元素各舉兩個例子,說它們最後在哪裡。
  2. K、Rb 和 Ni 都是親石元素,為什麼一個在地殼、一個在地函?

答案:(1) 親鐵 Ni、Au → 地核;親硫 Cu、Pb → 硫化物;親石 Si、K → 矽酸鹽;親氣 N、Ar → 大氣。(2) K、Rb 半徑太大,塞不進地函礦物(不相容),熔融時進入熔體被帶到地殼;Ni 跟 Mg 大小、電荷相近,容易取代 Mg 進入橄欖石,留在地函。

4. 塞不塞得進晶格:Goldschmidt 取代法則 ★

一個離子能不能取代晶格裡原本的主要元素,主要看兩件事:大小和電荷。Goldschmidt 的取代法則把這件事說得很具體:

  1. 半徑相同、電荷相同的兩個離子,進入晶格位置的容易度一樣。
  2. 半徑相近、電荷相同時,半徑較小的比較容易進入。例:Mg²⁺(72 pm)比 Fe²⁺(78 pm)容易進入橄欖石,所以岩漿最早結晶的橄欖石富含 Mg。
  3. 半徑相近時,電荷較高的比較容易進入(電荷高,靜電吸引強)。例:Ca²⁺ 和 Na⁺ 半徑相近,所以最早結晶的斜長石富含 Ca(鈣長石)。
  4. (Ringwood 補充)兩者電負度差 > 0.1 時,電負度較低的優先進入,因為它形成的離子鍵比較強。例:Cu⁺ 和 Na⁺ 半徑相近,但 Cu 的電負度高很多,所以不會進入 Na 的位置。
自我檢測 4
  1. 為什麼岩漿最早結晶的橄欖石富 Mg?
  2. 為什麼早期斜長石富 Ca 而不是 Na?
  3. Cu⁺ 和 Na⁺ 一樣大,為什麼 Cu 不進斜長石?

答案:(1) Mg²⁺ 比 Fe²⁺ 小,電荷相同時小的優先(法則 2)。(2) 半徑相近時電荷高的優先,Ca²⁺ 比 Na⁺ 多一個正電荷(法則 3)。(3) Cu 電負度高很多,鍵結偏共價,不適合進入離子鍵為主的位置(Ringwood 法則)。

5. 量化:分配係數 D ★

「塞不塞得進」可以寫成一個數字。當固體和熔體達到平衡時,某元素在固體中的濃度除以在熔體中的濃度,就是分配係數:

D=CsolidCmelt,Dˉ=∑ixiDi(xi=礦物 i 在岩石中的比例)D = \frac{C_{\text{solid}}}{C_{\text{melt}}}, \qquad \bar D = \sum_i x_i D_i \quad (x_i = \text{礦物 } i \text{ 在岩石中的比例})

D > 1 的元素喜歡留在固體,叫相容元素,它們能順利取代價數、半徑相近的主要元素;D < 1 的元素喜歡跑進熔體,叫不相容元素,它們在現有的晶格裡找不到合適的位置,通常是因為太大或價數太高。因為大部分微量元素都比主要元素大,所以大多是不相容的。D 本身會受溫度壓力、離子的大小電荷,以及礦物的主要元素組成影響。一塊岩石由好幾種礦物組成,整塊岩石的 D(bulk D)就是各礦物的 D 依比例加權平均。

把 D 畫在「離子半徑 × 電荷」的平面上,就得到 Onuma 圖,它把取代法則變成一張地圖:

0.010.10.20.5D > 1Ni²⁺Co²⁺Mn²⁺Mg²⁺Fe²⁺Ca²⁺Cr³⁺Sc³⁺Lu³⁺La³⁺Zr⁴⁺Th⁴⁺Nb⁵⁺Ta⁵⁺K⁺Rb⁺Ba²⁺0.40.60.81.01.21.41.6+1+2+3+4+5離子半徑(Å)電荷
單斜輝石(cpx)的 Onuma 圖:橫軸是離子半徑,縱軸是電荷,橢圓是分配係數 D 的等值線,中心是 cpx 晶格位置原本放的主要元素(Mg、Fe、Ca)。越靠近中心越容易進入晶格(D 大,相容):Ni、Co、Cr、Sc 在最內圈;半徑大的 K、Rb、Ba 和電荷高的 Nb、Ta、Th、Zr 都在外圈(D 很小,不相容)。REE 都是 +3,La 半徑大、離中心遠,Lu 比較小、比較近,所以 HREE 比 LREE 相容。自繪示意圖;概念參考:離子半徑依 Shannon (1976);White (2013);課堂投影片 L2 p.28

這張圖解釋了很多事。Ni、Co、Cr、Sc 在最內圈,D > 1,所以它們留在地函。K、Rb、Ba 半徑太大,Nb、Ta、Th、Zr 電荷太高,都在最外圈,是高度不相容元素。REE 都是 +3 價,但 La 半徑大、離中心遠,Lu 比較小、比較靠近中心,所以 HREE 比 LREE 相容,這是第 7 節 REE 圖的關鍵。橢圓的形狀也有意義:半徑相同時,電荷可以略高於主元素但不能更低;電荷相同時,半徑可以略小於主元素但不能更大。

易錯:D 的定義是固體 ÷ 熔體,不是反過來。D > 1 的元素留在殘餘地函(例如 Ni 在橄欖石)。

【換你算】某地函由 70% 橄欖石(D = 0.01)、20% 斜方輝石(D = 0.1)、10% 單斜輝石(D = 0.5)組成,這個元素的 bulk D 是多少?相容還是不相容?

提示:比例換成小數,乘上各自的 D 再加總。

答案:0.7 × 0.01 + 0.2 × 0.1 + 0.1 × 0.5 = 0.007 + 0.02 + 0.05 = 0.077,小於 1,不相容。注意雖然橄欖石最多,但貢獻最大的是比例最小的單斜輝石。

自我檢測 5
  1. D 的定義是什麼?D > 1 代表什麼?
  2. 為什麼大部分微量元素都是不相容的?
  3. 為什麼 HREE 比 LREE 相容?

答案:(1) 固體濃度 ÷ 熔體濃度;D > 1 是相容,元素留在固體。(2) 大部分微量元素比主要元素大(或價數高),塞不進晶格。(3) REE 都 +3 價,Lu(HREE)半徑比 La 小,更接近晶格位置的理想大小。

6. 部分熔融時熔體富集多少:Batch melting ★

知道 D 之後,就能算地函部分熔融時,熔體裡的元素會被濃縮多少倍。批次熔融(equilibrium/batch melting)假設熔體在離開之前,一直跟殘餘的固體保持平衡。

推導從質量守恆開始。原本岩石的濃度 C₀,熔掉比例 F 之後,分成比例 F 的熔體(濃度 CL)和比例 1 − F 的殘餘固體(濃度 Cs)。元素的總量不變,所以 C₀ = Cs(1 − F) + CLF。平衡時 Cs = D·CL,代進去得到 C₀ = CL[D(1 − F) + F],移項:

CLC0=1D(1−F)+F,CsC0=DD(1−F)+F\frac{C_L}{C_0} = \frac{1}{D(1-F)+F}, \qquad \frac{C_s}{C_0} = \frac{D}{D(1-F)+F}

這裡 C₀ 是原始地函的濃度(通常假設等於原始地函或球粒隕石),CL 是噴出地表的岩漿可以量到的濃度,F 是熔融程度,D 是 bulk 分配係數。

從式子可以讀出三件事。第一,F 趨近 0 時,分母只剩 D,CL/C₀ 趨近 1/D,這是最大的富集倍數:D = 0.01 的元素最多富集 100 倍。第二,F 趨近 1(整塊熔掉)時,CL/C₀ 趨近 1,熔體就是原來的岩石。第三,D 非常小時,D(1 − F) 可以忽略,CL/C₀ ≈ 1/F,所以高度不相容元素的濃度可以直接拿來估熔融程度。

先預測:D = 0.05 的元素,熔融程度從 10% 降到 1%,富集倍數會怎麼變?會超過 20 倍嗎?

互動:批次熔融拉 D 和熔融程度 F,看熔體富集多少倍
0.11101001000D=0.01D=0.1D=1D=500.250.50.751熔融程度 FC_L / C₀
C_L/C₀ = 1 / [D(1 − F) + F]
= 6.89 倍
F → 0 的上限 1/D = 20 倍
不相容:熔體富集
D 越小、F 越小,熔體富集得越多;F 再小也不會超過 1/D。D ≪ 1 時 C_L/C₀ ≈ 1/F,所以高度不相容元素的濃度可以拿來估熔融程度。
【例題 ★ 完整解】D = 0.05,F = 0.10,CL/C₀ = ?

代入:CL/C₀ = 1 / [0.05 × 0.9 + 0.1] = 1 / 0.145 = 6.9 倍。F 再小也不會超過 1/D = 20 倍。

【換你算】(a) D = 0.2、F = 0.1 時富集幾倍?(b) 某高度不相容元素在岩漿中的濃度是地函的 20 倍,熔融程度大約多少?

提示:(b) D 很小時 CL/C₀ ≈ 1/F。

答案:(a) 1 / (0.2 × 0.9 + 0.1) = 1 / 0.28 ≈ 3.6 倍。(b) 1/F ≈ 20 → F ≈ 5%。

計算 bulk D 時要用地函的礦物比例。投影片的夏威夷模型:60% 橄欖石 + 25% 斜方輝石 + 10% 單斜輝石 + 5% 石榴子石(第一份作業就是用這個比例,見〈作業與計算題解題流程〉)。

自我檢測 6
  1. 從質量守恆推出 CL/C₀ 的式子。
  2. 為什麼富集倍數有上限?上限是多少?
  3. 怎麼用不相容元素估熔融程度?

答案:(1) C₀ = Cs(1 − F) + CLF,代入 Cs = D·CL,移項得 1/[D(1 − F) + F]。(2) F → 0 時分母剩 D,上限 1/D。(3) D ≪ 1 時 CL/C₀ ≈ 1/F,量岩漿濃度除以地函濃度,倒數就是 F。

7. 應用:用 REE 圖反推岩漿來源 ★

REE 是測試上面這套理論最好的工具:15 個元素都是 +3 價,化學性質非常像,唯一系統性改變的是半徑。所以它們在熔融時的行為差異,幾乎只反映半徑造成的相容性差異。

為什麼要用球粒隕石標準化(Case I)。直接把岩石的 REE 濃度畫出來,會是一條鋸齒線,因為偶數原子序的元素本來就比相鄰的奇數多(L1 的 Oddo–Harkins 效應)。這個鋸齒是核合成留下的,跟地質過程無關,會蓋住我們想看的訊號。把每個元素除以球粒隕石(代表原始太陽系)的值之後,鋸齒就消失了,剩下的形狀才是地球上的過程造成的。

0.010.1110100LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu濃度(ppm)上部地殼CI 球粒隕石110100LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu樣品 / 球粒隕石上部地殼CI 球粒隕石
第一張:CI 球粒隕石和上部大陸地殼的 REE 原始濃度(ppm),兩條線都是鋸齒狀,因為偶數原子序的元素本來就比相鄰的奇數多(L1 的 Oddo–Harkins 效應)。第二張:每個元素除以球粒隕石的值之後,鋸齒消失,球粒隕石自己變成一條水平線(= 1),地殼則是一條往右下斜的平滑線(LREE 富集),這才是地質過程造成的差異。自繪示意圖;概念參考:數據:Sun & McDonough (1989)、Taylor & McLennan (1985);課堂投影片 L2 p.34

OIB 和 MORB 為什麼不一樣(Case II,第一份作業)。

110100LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu樣品 / 球粒隕石OIBN-MORB
球粒隕石標準化的 REE 型態。OIB(熱點玄武岩,例如夏威夷)強烈 LREE 富集:La 約 150 倍、Lu 約 12 倍,整條往右下斜。N-MORB(中洋脊玄武岩)LREE 虧損:La 只有約 10 倍,比 HREE(約 18 倍)還低,往左下彎。自繪示意圖;概念參考:數據:Sun & McDonough (1989) 的平均 OIB 與 N-MORB;課堂投影片 L2 p.35(HW1)
OIB(熱點,例如夏威夷)MORB(中洋脊)
型態強烈 LREE 富集,往右下斜LREE 虧損,往左下彎;HREE 平坦
熔融程度 F低 → 不相容的 LREE 富集很多較高 → 富集較少
殘留礦物深處有石榴子石殘留,把 HREE 留住 → 斜率更陡—
來源熱點,未虧損的地函柱已被抽取過不相容元素的虧損上部地函

這個表可以串成一條推理鏈:LREE 比 HREE 不相容(第 5 節 Onuma 圖)→ 熔融程度低時,LREE 富集得特別多(第 6 節)→ OIB 的熔融深度深,殘留物裡有石榴子石,石榴子石的 DYb 約 4,把 HREE 留在固體裡 → 所以 OIB 的斜率又陡又大。MORB 的來源是上部地函,這部分地函過去已經被熔融、抽走過不相容元素(被抽走的部分形成了大陸地殼),LREE 本來就少,所以即使熔融,也呈現 LREE 虧損的型態。

自我檢測 7
  1. 為什麼 REE 圖要除以球粒隕石?
  2. 描述 OIB 和 MORB 的 REE 型態,並用至少兩個理由解釋差異。

答案:(1) 原始濃度的鋸齒來自核合成(偶數多),會蓋住地質訊號;除以球粒隕石後鋸齒消失,剩下地質過程造成的形狀。(2) OIB 強烈 LREE 富集、往右下斜;MORB LREE 虧損、往左下彎。理由:OIB 熔融程度低、殘留石榴子石留住 HREE;MORB 來自已虧損的上部地函、熔融程度較高。

容易混淆的地方

容易搞混正確理解
D = C液 / C固?D = C固 / C液;D > 1 留在固體
岩漿裡濃度越高,熔得越多?相反:不相容元素在低 F 時最濃
bulk D 由最多的礦物決定?由「比例 × D」決定;比例小但 D 大的礦物(例如石榴子石對 Yb)可能主導
親石元素都在地殼?親石元素都在矽酸鹽,但相容的(Mg、Ni、Cr)留在地函,不相容的(K、Rb、Ba)才到地殼
REE 圖的鋸齒是地質造成的?是核合成造成的,所以要用球粒隕石標準化去掉

章末綜合題

1.(觀念)用「化學個性 → 分類 → 取代 → D → 熔融」這條鏈,解釋為什麼大陸地殼富含 K、Rb、Ba

K、Rb、Ba 是親石元素,留在矽酸鹽裡;但它們半徑很大,塞不進地函礦物的晶格(不相容,D ≪ 1);地函部分熔融時,它們優先進入熔體,富集倍數接近 1/F;熔體上升形成地殼,所以地殼富含這些元素。

2.(計算)夏威夷地函(60% ol、25% opx、10% cpx、5% grt),Ce 的 D 分別為 0.001、0.003、0.1、0.02。算 bulk D,再算 F = 2% 和 F = 10% 時的 CL/C₀

D = 0.6(0.001) + 0.25(0.003) + 0.1(0.1) + 0.05(0.02) = 0.0124。F = 2%:1 / (0.0124 × 0.98 + 0.02) ≈ 31.1 倍;F = 10%:1 / (0.0124 × 0.9 + 0.1) ≈ 9.0 倍。熔得少,富集多。

3.(圖形)畫出 D = 0.01、0.1、1、5 四條 CL/C₀ 對 F 的曲線,標出各自 F → 0 的極限

四條線在 F = 1 時都收斂到 1。D = 0.01 的線從 100 往下掉;D = 0.1 從 10 往下;D = 1 是水平線;D = 5 從 0.2 往上升到 1(熔體反而比地函少)。可以用上面的互動圖對照。

延伸:看過就好(類地行星組成、乾空氣、電子組態)

類地行星組成(Taylor 1982,Table 1-9,p.10)

MercuryVenusEarthMars
地函+地殼 SiO₂ / MgO / FeO (%)~45 / 34–55 / 3.740–50 / 33–38 / 5–1945 / 40 / 8.037–49 / 30 / 16–27
核 Fe / Ni (%)94 / 5.579–89 / 586 / 564–88 / 8
核占質量 (%)65–6824–3232.418–19

水星的核最大;火星的核最小、地函 FeO 最高(較氧化)。核除了 Fe、Ni,還有輕元素 S、O。

乾空氣(體積%,p.11):N₂ 78.08、O₂ 20.95、Ar 0.934、CO₂ 0.033(舊數據)。

電子組態(p.16):軌域能量順序 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d …;s 裝 2 個電子、p 6 個、d 10 個、f 14 個。