３．地球内部の構造と運動
a. 地球の元素組成と構成
地球の元素組成の推定法
推定は、宇宙存在度（太陽系の始原物質の元素組成）に基づく
地球全体の元素組成は、元々は宇宙存在度と同じと仮定
地球は共通の太陽系星雲から出来た
ただし、軽元素の多くは、その後気体として地球から抜けた
宇宙存在度の見積もりは、太陽大気と隕石のデータによる
固体地球全体の元素組成：宇宙存在度から軽元素を除いたもの
大気や海の元素は、固体地球と比べれば無視できる程少ない
固体地球の構成と各部分の元素組成
全体の元素組成を、地殻や深部起源の岩石の化学組成と比較
地球全体の密度、地球磁場の存在なども考慮
地震波速度の分布から、各層の厚さや性質の詳細を決める
Q. 元素組成についての上の推定法は、木星にも当てはまるか？
太陽大気の元素組成（図：太陽の構成と太陽光のスペクトル）
太陽は、高密度物質でできた光球を、大気層コロナが囲む
その間に、彩層と呼ばれる針状の大気層の集合体
太陽大気の元素組成
太陽光の光学的なスペクトル；プリズムで波長に分解する
変化する色の間に、沢山の暗線（フラウンフォーファー線）
太陽大気中の元素が、特有な波長の電磁波（フォトン）を吸収
暗線の波長から元素の種類、吸収の強さからその元素の相対的な量
Q. 電磁波を吸収すると、原子はどう変わるか？
隕石（図：隕石；右が炭素質コンドライト）
隕石は、地球の外から地表に落ちてくる物体
岩石からできた石質隕石と、金属鉄からできた隕鉄に分けられる
小惑星帯からくるものが多い
小さな地球型惑星が、形成初期に破壊されたもの
形成年代は、太陽系や地球の形成時期と一致
太陽系の始原物質との関係
全体は、太陽系の始原物質の組成を表すはず
各々の隕石は、惑星のどの部分からきたかで性質が異なる
始原物質に近いのは、炭素質コンドライトという石質隕石
Q. 隕石はクレータ（すり鉢状の穴）の底でよく見つかる。何故か？
宇宙存在度（図：太陽大気と炭素質コンドライトの元素存在度）
太陽大気と隕石（炭素質コンドライト）の元素組成を比較
軽元素と微量元素を除くと、相関がかなりよい
軽元素は、隕石の元となる惑星からかなり抜けたと解釈
HやHeのほとんど、O, C, Nのかなりの部分
微量元素（原子番号が大）は、太陽大気のデータが精度不足
Li, Bや原子番号の大きい元素
太陽大気と隕石の元素組成から、宇宙存在度を求める
ふたつの間で相関のよい元素は、共通の比率
軽元素は、太陽大気のデータを採用
微量元素は、隕石のデータから決める
宇宙存在度の特徴
太陽系には、Hが最も多い。Heがその約1/5
次いで、OがHの1/1000程度、CがOの半分程度、更に1/10程度のN
N2は、地球大気の主成分に
更に少ないSi, Mg, Feが、固体部分の主成分に
下図：松尾禎士「地球化学」（講談社サイエンティフィク）より
Q. 地球型惑星の大気は、何故主成分がCO2になるか？
地球の元素組成（図：地球全体、地殻、マントルの化学組成の分布図）
地球の元素組成は、宇宙存在度で軽元素を除いたもの
H, He, C, Nの他に、Ne, Ar, Sも失われた
地球は主にO, Si, Mg, Feから構成される。Si, Mg, Feはほぼ同量
次に多いのは、Ca, Al, Naなど
固体地球全体の元素組成：
大気や海に存在する元素は、地球全体から見れば極めて少ない
固体地球の元素組成は、地球全体の元素組成とほぼ同じ
気体となる元素の比率は、酸素を除いて極めて低い
酸素Oは、鉱物の主要構成元素として、固体地球にも入る
Oは気体にもなるので、存在量は宇宙存在度から決められない
Oの存在量は、鉱物全体の電荷バランスから決める
元素が金属になる場合は、電荷バランスにOは必要ない
組成の独立な構成要素としては扱わない
Q. 等量のSi, Mg, Feでできた鉱物には、Oがどれだけ含まれるか？
固体地球の構成物質
地表付近で見られる固体物質は、岩石、泥、動植物、人工物など様々
地球の内部に入ると、そこは火成岩でできている
地球内部の物質は、地表では火成岩の形で現れる
火成岩は、マグマが元になり、火山の活動でできた岩石と通常定義
ここでは、地球内部を起源とする岩石と広く解釈
火成岩は、何種類かの鉱物（結晶）から構成される
ほとんどの鉱物は、SiとOを骨格とする珪酸塩鉱物
結晶になれなかった非晶質（ガラス）も含む
火成岩は火山岩と深成岩に分けられる
火山岩：結晶が小さく非晶質が多い。噴出して急冷された
深成岩：結晶が大きく成長。内部でゆっくり固まった
火成岩が元になって、変成岩、堆積岩、土壌、金属鉱床などができる
Q. 岩石と鉱物はどう違うか？
火成岩の分類（図：カコウ岩と構成鉱物、玄武岩とガブロ）
火成岩には黒っぽいものから白っぽいものまである
白っぽいもの：フェルシック（珪長質）な岩石；Siが多く、MgやFeが少ない
黒っぽいもの：マフィック（苦鉄質）な岩石；Siが少なく、MgやFeが多い
黒っぽさは有色鉱物の量を表し、化学組成を反映する
カコウ岩はフェルシックな岩石の例、石英、長石、角閃石などからなる
玄武岩はマフィックな岩石の例、カンラン石、輝石、長石などからなる
中間的な岩石や、超マフィックな岩石もある
マフィックになるほど、結晶が緻密な構造をとり、岩石は高密度に
[参考]
岩石の総称 有色鉱物の体積 SiO2の重量 火山岩 深成岩
超マフィック 70%以上 45%以下 カンラン岩
マフィック 40〜70% 45〜52% 玄武岩 ガブロ
中間 20〜40% 52〜66% 安山岩 閃緑岩
フェルシック 20%以下 66〜70% デイサイト カコウ閃緑岩
70%以上 流紋岩 カコウ岩
Q. マフィックやフェルシックな溶岩を噴出する火山の例をあげよ
地殻の岩石
地殻：地球の表層部
地表付近で見られる大部分の火成岩は、地殻に属する
地殻の岩石の化学組成
地表での採取やボーリング（陸上、海底）で得られた試料の分析
様々な試料の平均、統計的な処理
大陸地殻と海洋地殻では化学組成が異なる
海洋地殻は、マフィックな岩石でできている
大陸地殻には、フェルシックな岩石や中間的な岩石が多い
いずれの場合も、一番多いのはSi、次いでAl、それ以外の元素は更に少ない
地殻の組成は、固体地球全体と明らかに異なる
Siが多く、MgやFeが少ない
地球の深部は別な物質でできているはず
Q. 大陸地殻と海洋地殻の密度は、どちらが大きいか？
超マフィック捕獲岩
捕獲岩は、マグマが上昇途上で周囲から捕獲してきた岩石
融けた痕跡がなく、マグマとは区別されるもの
アフリカなどの鉱床から、元素組成が超マフィックな捕獲岩が出る
ダイヤモンドなどの高圧鉱物と、しばしば一緒に出る
高圧鉱物の形成条件から、捕獲された深さは30kmより深い
ダイヤモンドは炭素Cでできている
炭と同じ成分。高い圧力で緻密な結晶構造になった
超マフィックな捕獲岩は、地球の深部に由来する
元素組成の違いから、地殻より下の別な領域からきた
この領域をマントルとよぶ
Q. ダイヤモンドを高温で熱するとどうなるか？
マントル
マントルの組成
超マフィック捕獲岩の組成：SiとMgが多い。次に多いのがFe
主な構成鉱物は、カンラン石(Mg,Fe)2SiO4と輝石(Mg,Fe)SiO3
Feは、Mgと結晶の中で同じサイト；MgとFeの割合は9:1程度
地殻とマントルは、共に珪酸塩鉱物から成る
マントル：主にO, Si, Mgから構成。Feも存在
地殻：O, Si, Mgに加えて、Ca, Al, Naなど、多様な元素
マントルは、超マフィックな鉱物で構成され、地殻より密度が高い
固体地球の構成との関係
マントルの組成は、宇宙存在度から推定した地球全体と似ている
マントルは、固体地球で主要な体積をしめると考えられる
地殻は表層の薄い部分で、固体地球の体積のごく一部
マントルには、Feの量が不足する
主にFeから構成される核の存在が示唆される
Q. カンラン石（オリビン）の名はオリーブに由来する。類似点は？
核
地球の中心に、金属鉄を主成分とする核の存在
隕鉄は、破壊された小惑星の核の断片
固体地球の密度
地球の平均密度は5500 kg/m3
地殻を構成する岩石は、密度が2500 kg/m3程度
マントルの岩石は、密度が3200 kg/m3程度
核の主要構成物である金属鉄は7860 kg/m3
圧力の効果があるにせよ、マントルは地球の平均密度を説明できない
金属鉄を主体とする核の存在で、平均密度は高くできる
核の化学組成
純粋の鉄では密度が大きすぎる
30%程度の不純物を含む
隕鉄の組成などから、Ni, S, O, Si, Hなどを含む可能性
地球磁場も、核の存在を必要とする
Q. 地球や惑星の平均密度は、どのような方法で求められるか？
固体地球の構造のまとめ（図：地球の構造）
固体地球は、地殻、マントル、核から成る
地殻とマントルは岩石、核は金属
地殻：薄い表層。
海洋地殻はマフィックな岩石
大陸地殻はマフィック〜フェルシックな岩石
Siの他、Ca, Al, Naなど、多様な元素を含む
マントル：固体地球の体積の主要な部分をしめる
超マフィックな岩石でできている
主にSi, Mg, Oから成り、Feも含む
核：地球の中心部に存在する高密度の領域
Feを主成分とする金属でできている
地球の形成過程
太陽系の始原物質でできた地球が、誕生初期に高温になった
融解した金属鉄が、底に沈んで核を造り、マントルと分離した
放出された重力エネルギーは、その後の活動の重要なエネルギー源
地殻は、火山活動によって、マントルからつくられた
マントルの一部が融解（部分融解）して、マグマに
上昇したマグマが、表面付近で固化して、地殻を成長させた
マグマに入りやすい元素が濃集し、マントルとは異なる組成に
火山活動で放出された軽元素によって、大気と海がつくられた
Q. 融解した金属鉄でできた核では、その後どんな過程が進行したか？