請原諒用這麼裝B鎳隕:石之圭臬的講述

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之所以寫這篇文,就是因為看到了@小龍哈勃 的這篇文,文中提到了通過隕石中的鎳含量來鑑定隕石的方法。不過話說回來,這個方法的原理其實並沒有多少人十分了解。這裡面涉及到了地球化學方面的知識,作為一個地質專業的,就來給大家講講原理。

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對於人們來說這是一個既熟悉又陌生的元素。名氣比不上同族的鐵,名字也帶著點貶義:Nickel原為德文Kupfernickel(銅妖)的簡稱,鎳礦看似銅礦,卻無法冶煉出銅來,從前被看作是魔鬼搞的惡作劇[1]。在日常生活中最容易見到鎳的地方恐怕就是銀行和人們的錢包了。鎳最主要的用途是鑄造貨幣。當然也用製造不鏽鋼。有時鎳被用作催化劑,最著名的反應就是苯的加成反應,要用紅熱的鎳做催化劑。

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鎳在宇宙中的豐富程度很高。鎳的宇宙丰度是4.93*10^4(Si=10^6)[2],也就是說假設在宇宙中硅原子有100萬個,那麼鎳就是49300個,作為對比,我們很熟悉的銅元素的宇宙丰度只有514。鎳可比銅多多了~鎳有5個穩定同位素,其相對丰度為:Ni58=67.88%,Ni60=26.23%,Ni61=1.19%,Ni62=3.66%,Ni64=1.08%[3]鎳的很多性質都與同族的鐵很相似,所以鎳的親鐵性較強,一般來說自然條件下鐵含量高的地方鎳含量也會相對的比較高。這一點在隕石的化學成分上體現得十分明顯:鐵鎳隕石中鎳元素的丰度可以達到85900ppm,也就是8.59%,球粒隕石中鎳元素的丰度也常在1-2.1%。

那麼,我們周圍的那些石頭裡鎳的含量一般會有多高呢?大家可以猜一猜,不用太精確,猜數量級就可以 。結果可能出乎大家的意料,鎳在整個大陸地殼中的丰度只有105ppm,也就是百萬分之105,而大陸地殼上部更少,只有20ppm,也就是0.002%。

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隕石和普通石頭的鎳含量相差3個數量級以上,所以只要檢測一塊岩石中鎳元素的含量就幾乎完全可以確定它是不是隕石。不過,要注意,是“幾乎完全”,而不是100%,至於原因,我們最後再說。先說說這個問題吧:為什麼地殼,特別是上地殼Ni的丰度會那麼低呢?這要從鎳元素的性質說起。而在這之前, 先說說另一個問題:在你心目中,岩漿是什麼呢?大家腦海中一定會浮現出火山爆發的壯麗景象。岩漿就是高溫下熔化的岩石嘛。

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的確是這樣,岩漿就是熔融的岩石,但是又沒有你們想的那麼簡單。岩漿是一種複雜的混合物,這就意味著,它沒有固定的熔點。當岩石受熱溫度上升至650℃左右的時候,岩石中的長英質就開始熔融,隨著溫度的不斷升高,不同的組成成分開始融化。直至達到1400℃左右,岩石基本上全部融化,而在這之前,固體和液體可以共存,也就是說岩石只有部分是熔融的。所以不同溫度的岩漿成分也不盡相同,SiO2含量較低的基性、超基性岩漿的溫度常常很高,因為一旦他們溫度降低,其中的鎂鐵質礦物就會結晶,而剩下的岩漿 中SiO2的含量就會上升,使岩漿變得更加“酸性”。而SiO2含量較高的長英質岩漿溫度一般較低。地殼上部的溫度並不高,所以上部地殼主要由長英質岩石構成。那麼這和上地殼鎳元素的丰度很低又有什麼關係呢?

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在研究元素過程中,地球化學家發現有些微量元素具有這樣的性質:當岩石發生部分熔融時,會產生熔體和晶體兩個相,而它們更喜歡呆在晶體中。具有這種性質的微量元素被稱作相容元素,相對的,其他元素就是不相容元素。而鎳就是相容元素。元素的相容性可以用分配係數來描述,即“在一定的溫度,一定的壓力下,當兩個共存的地質相A,B平衡的時候,以相同的形式均勻賦存於其中的微量組分i在這兩相中的濃度比值為一常數。

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4本藏品來源於“永欣拍賣”徵集成交數據


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