自然杂志 第32卷第3期
doi:10.3969/j.issn025329608.2010.03.001
特约专稿
地球的陆壳是怎样形成的?———神秘而有趣的前寒武纪地质学
翟明国
中国科学院院士,中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029
关键词 地球 陆壳 形成与演化 前寒武纪地质学
地球的年龄大约有46亿年。以5.45亿年为界,之前的称为前寒武纪,它有大约40亿年,是地球历史上漫长的地质时代。之后的称为显生宙,寒武纪就是显生宙的第一个纪元。地球陆壳的80%～90%以上是在前寒武纪形成的,记录了复杂和惊心动魄的地质构造事件,赋存着丰富的矿产资源。前寒武纪地质,的地质演化,特别是大陆的形成和增生以及演化的学科。 前寒武纪是地球形成与演化史上最为漫长的一个地质时代。我们的地球如今已经有46,在这46亿年中,5.45,时起,,,生宙,,就是寒武纪。前寒武纪是相对于寒武纪而言的。前寒武纪地质学研究的就是比寒武纪更古老的约40亿年漫长的地球地质历史。地球大陆的80%～90%以上,是在前寒武纪形成的[123],并且赋存着丰富的矿产资源。因此,解读前寒武纪的地质历史,对我们进一步认识地球、利用地球、保护地球,有着很重要的意义。
地球可以分为大陆和大洋,从地质学的角度,我们称组成大陆和大洋的岩石圈层为陆壳和洋壳,它们约占地球表面积的比例是3∶7(图1,见封二)。人类的发源地和主要栖息地是陆地,因此陆壳是怎样形成和生长的,是一个需要回答的科学问题,它对于我们认知地球、利用地球和保护地球都至关重要。
,陆地上存在海相介壳动物化“地下热火”看成地质现象的主要,地球核心是熔融的液态。由于意大利西海岸火山岩带的强烈活动,古罗马人相信有一位主管火和锻冶的
(Vulcan)。在教会统治的中世纪,“圣神,称“沃尔坎”
经”是唯一的真理。“圣经”里说有诺亚的大洪水,水成说在很长一段时期里成为不可动摇的信条。魏尔纳是水成说的集大成者。1775年起他任德国费顿堡矿山学校的教授,以出色的教学吸引了大量青年学生。他认为自原始海洋开始到诺亚洪水结束,水的力量营造了一切地质系统,自原始海洋到现在,水面在不断地下降,原始岩石露出水面后开始发生风化、堆积而形成新地层。他的学生,如达步松(1804)和布赫(1809),在考察了玄武岩和花岗岩之后,都发表了不同于魏尔纳水成说的观点。与魏尔纳观点大相径庭的一个代表人物是赫顿。这位苏格兰天才的主要调查区是加里东造山带的典型露头区苏格兰高地,那里有花岗岩和矿脉。他认为地层的固化和海洋上升为陆地是地热的作用,火山活动是释放地下能量的出口,有点象瓦特的蒸汽机(当时瓦特正在进行这方面的试验)。他的地质理论长期被说成火成论,其实他本人并不认为所有的岩石都是火成的。他对不整合面的发现和解释为18世纪的地质学增添了光彩的一笔。水成论与火成论的论战在19世纪初达到高潮。由于赫顿学说的发展,一系列新的地质事实证实了赫顿阐述的观点,火成论者终于取得了胜利。英国C.
(PrinciplesofGeology)[4]。莱伊尔的著作《地质学原理》
1大陆和大洋是怎样形成的呢?
大陆和大洋是怎样形成的?中国的古人们很早就关注到这个问题,并提出很有见地的认识。屈原的《天问》中有“圜则九重,孰营度之?八柱何当,东南何亏?”;又如《诗经》曰“:高岸为谷,深谷为陵。”提出了高岸变成深谷,深谷变成大山的沧桑巨迁的道理。在地质学发展史上,曾有水成论与火成论的论战,一度曾非常白热化。水成论者认为水对地表的改变起决定因素。纪元前,古罗马人已发现尼罗河两岸周期性地被洪水淹没、尼罗河
又名为《普通地质学教科书》、《地质学纲要》。到1872年共出版11版,中译本于1959年出版。莱伊尔提出地
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球的变化是古今一致的,地质作用的过程是缓慢的、渐进的。地球的过去,只能通过现今的地质作用来认识,即“将今论古”。他的这种观点被称为“均变论”。《地质学原理》对当时和以后的地质科学发展具有划时代的影响。今天我们来看莱伊尔火成说的最重要贡献,是它为认识到地球有核幔壳的圈层,并由它们之间的相互作用而导致了地球演化这一地球动力学学说奠定了基础。
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浅有从麻粒岩相—混合岩化的麻粒岩相—混合岩化的角闪岩相—角闪岩相—绿片岩相—未变质的相变化,也导致它们的密度与波速随之变化。地球有约46亿年的历史,它的80%～90%以上的陆壳约在25亿年以前形成,即在25亿年前地球已经有了和现在规模相当的大陆,并且大部分大陆都进入稳定状态。上下地壳分层并与地幔达到耦合,这个地质过程叫做克拉通化。在地质年代表上,25亿年是太古宙与元古宙的分界。图2(见封二)表示的是世界上不同时代的岩石出露图,其中褐色是太古宙岩石,黄色是元古宙岩石(有些地方元古宙岩石之下是太古宙岩石)。各大陆(州)边缘的白边是显生宙的岩石。在太古宙形成的陆壳,有两种基本的岩石组合,它们分别被称为高级变质的片麻岩区(简称高级区)和低级变质的绿岩带(简称绿岩带),前者约占70%～80%,后者约占20%～,主要的岩石是TTG(、辉长岩和少量的表壳岩
()。TTG片麻岩约占80%以上。TTG
2地球的大陆壳究竟有多大年龄?
根据地球上原始地幔的样品以及太阳系其他星球的陨石的定年,推测地球的年龄大约为45.6～46亿年,与月球的年龄相当。地球上最古老陆壳的年龄是多少呢?迄今为止最古老物质的数据是44.04亿年,是采自西澳大利亚Yiligarn地盾JackHills沉积砾岩的碎屑锆石的SHRIMP锆石U2Pb年龄[5]。同位素特征表明锆石是来自英云闪长质的岩石中。说明在约44亿年之前,地球上已经存在陆壳的物质———外,地质学家还在加拿大龄40.25～40.65亿云石(Acastagneiss)
[6]
的钠含量,一般认为它们的形成不能直接通过地幔的部分熔融,需要由地幔熔融形成的基性岩石(玄武岩辉长岩)再次部分熔融形成。绿岩带主要由未变质浅变质的火山沉积岩,以及花岗岩和TTG片麻岩组成。由此可见,前寒武纪形成的陆壳中有大于50%～70%的岩石是TTG片麻岩,其他的岩石是花岗岩、火山沉积岩和辉长岩等。
,,出露面积约20km。
2
地球上约38亿年的岩石有较多的出露,并且分布在不同的大陆(州)上。中国的鞍山存在着年龄约38亿年的花岗质片麻岩[7],在冀东地区有含38亿年碎屑锆石的石英(砂)岩[8]。中国最古老的物质年龄是华北南缘北秦岭南段奥陶纪火山岩中～41亿年的锆石残留年龄[9],表明华北在41亿年前已有古老的陆壳存在。虽然人们猜测地球的陆壳形成之前,可能有类似于现代大洋成分的岩浆海,也就是说先有洋壳,陆壳是在洋壳与地幔的演化中形成的,但是至今未发现有大于38亿年的类似于洋壳成分的岩石。这给研究地球的早期演化蒙上了一层神秘的面纱。
4神秘的早前寒武纪的岩石
早期寒武纪的岩石是神奇的,这主要是因为它们的年龄老,大多数都老于25亿年;还因为它们在地球的发展历史上大多陆壳没有重复,即在显生宙的地质过程中很难再形成这样的岩石。这也暗示出,地球的演化过程及其机制并不是千古一理的。主要的代表性岩石有
TTG片麻岩、科马提岩、条带状硅铁建造、非造山岩浆组
3大陆壳的岩石组成是什么?
一般认为大陆壳是分层的,即下部地壳是由中基性岩石组成,上部陆壳是由花岗质岩石组成,这与不同地壳层的波速相对应。实际上,上、下地壳的岩石组成更复杂,它们是由不同类型的岩石组合在一起的。总体上,上地壳的化学成分硅铝质偏高,下地壳的化学成分镁铁质偏高。此外,由于不同深度的地壳所处环境的温度压力会随着深度的变化而增高,陆壳的地温梯度平均约30℃/km,岩石在较高的温度和压力下会发生矿物结构和矿物组合的变化,即变质相不同。地壳深度从深到
合(斜长岩、奥长环斑花岗岩)。
TTG片麻岩(图3(a),见封二)由于颜色灰白,通常
经历复杂的变形,岩石中的片状和柱状的矿物如黑云母、角闪石、辉石等定向排列,并常与暗色的角闪岩(麻粒岩)形成条带,又称为灰色片麻岩或条带状片麻岩。
TTG是trondhjemite(奥长花岗岩)、tonalite(英云闪长
岩)和granidiorite(花岗闪长岩)三个英文单词的缩写,是一套富钠贫钾的花岗质侵入岩。如前面所说,TTG岩浆很难从地幔中直接熔融出来,因此一些研究者假设它
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ironformations,简称BIF。最古老的BIF的形成时代
们是从由地幔派生的基性岩石再次熔融形成的。假设的理论是地球上先有类似于现代洋壳的玄武质岩石,它们经历了俯冲作用到约10～20km的地壳深部。然后发生部分熔融,形成了TTG岩浆。该模式的困难是,至今为止,地球上最古老的岩石都是TTG片麻岩,没有找到存在最古老基性岩石的记录。另外,显生宙与洋壳俯冲有关的活动陆缘的安第斯型岛弧的埃达克质岩石与前寒武纪TTG片麻岩相比,更加复硅贫镁,二者在成因上应有差别
[10]
约为38亿年,在19亿年之后就不再形成。“条带状硅铁建造(BIF)”的出现是地球早期大气和海洋的氧分压大幅提升的重要标志性事件。研究表明:在太古宙海水处于还原状态,有大量的2价铁离子溶解于海水中。当海底火山喷发,并由此引起微生物生长而引起氧化度增高时,2价铁部分变成3价铁,形成铁的氧化物沉积,从而形成铁矿。在早元古代,海水的氧化度已较大提高,因此是条带状硅铁建造大量形成的时期。而后,虽然大气与海水中的氧的分压都较高,但是,海水中的铁含量已经较低,有铁的结核产生,但已经没有了形成条带状铁建造的物质基础。唯一的例外是在约8～6.3亿年期间,地球上处于一个大冰期阶段,该时期称为成冰纪。有证据表明,,又[12],出现形,但对于条带状铁建造的形成条件以及,都有科学意义。
斜长岩和非造山岩浆组合,是早前寒武纪的重要岩石类型。在月球上广泛出露的斜长岩,在地球上出露比例很小。太古宙的斜长岩常与淡色辉长岩和辉长岩组成层状岩体。斜长石多形成近等粒、雪花状的巨晶。元古宙的斜长岩主要与奥长环斑花岗岩、辉长岩以及碱性花岗岩、正长岩和碱性火山岩等有成因联系的岩浆岩组合。顾名思义,非造山岩浆组合就是指陆内非造山的构造环境的岩浆活动的产物。非造山岩浆岩以深成岩体和岩墙的形式产出,代表相对小体积的岩浆,就位在老克拉通核附近。非造山岩浆岩的产生方式及演化过程可能有多种:玄武质岩浆的结晶分异,英云闪长岩或更酸性地壳的部分熔融,壳幔源区的混合。奥长环斑花岗岩是具有A型花岗岩特征的,以大岩基形式产出的显示环斑结构的花岗岩[13]。它的结构非常奇特(图3(d),见封二),奥长石的边环绕在钾长石斑晶外围,反映了在岩浆过程中的物理化学条件的变化引起的矿物结晶过程。环斑花岗岩的地球化学特征是亚碱性,偏铝质,高FeOt/
(FeOt+MgO),高K2O和不相容元素(REE,Zr,Hf),
。另外的岩浆分异说认为,在太古宙,从
地幔派生的高MgO+FeO成分的镁铁质岩石有较大的密度,因而,这些熔体的大部分未能达到上部地壳位置。科马提岩来源于上地幔曾发生的高度(60%～80%)的部分熔融作用和熔体有大于3g/cm3的密度,因而会有大多数这样的物质将在或接近地壳基底部分停留下来,趋向于形成不混熔液体,经重力分离作用后,上升到地壳上面,形成玄武岩或英云闪长岩;而遗留下来的橄榄岩质残留物的密度比原始物质要小,它们将浮起在未亏损地幔上部,并趋向于与上覆岩石圈合并,拉通化和巨厚的岩石圈[11]。
,,在早前寒武纪特别是太古宙普遍出现,但在显生宙很少出现的岩石。很显然和地球高温有关。因此,对它的成因多数人倾向于是和地幔柱构造有关的构造作用下,地幔发生了大比例的熔融,从而形成的超镁铁质岩浆,其熔融的温度应在1400～1600℃,至少大于1200℃。该岩石1969年首次发现于南非巴伯顿山地的科马提(Komati)河流域,故名科马提岩。原意是指只限于太古宙绿岩带中中枕状岩流顶部的、具鬣刺结构的超镁铁质熔岩。岩石主要由橄榄石、辉石的斑晶(或骸晶)和少量铬尖晶石以及玻璃基质组成,具枕状构造、碎屑构造,和典型的鬣刺结构
(鱼骨状或羽状),其特点是橄榄石呈细长的锯齿状斑晶(图3(b),见封二),是淬火结晶的产物。在化学成分上
典型的科马提岩以MgO>18wt%(无水)、CaO:Al2O3
>1、高Ni,Cr,Fe/Mg,低碱为特征。科马提岩是太古
宙重要的有代表性的火山岩,是绿岩带的主要组成部分。其他太古宙的火山岩还有枕状的玄武岩和英安岩,它们在显生宙也广泛存在于造山带中,但是却很少有科马提岩,说明地幔的熔融温度低得多,熔融程度也低得多。与科马提岩有关的矿产有各铜、锑、镍,其中镍矿储量尤为丰富。
条带状硅铁建造是由硅质(石英玻璃的成分)和铁的氧化物(磁铁矿为主)互为条带的岩石建造(图3(c),见封二),条带宽约几毫米至几厘米。英文是banded
亏损Ca,Mg,Sr,P,Ti等,高初始87Sr/86Sr(0.705±0.
003),负的或接近0的εNd值。因此,环斑花岗岩就位
于相对干的、高氧逸度、温度650～800℃、深度不超过
15km的条件。非造山岩浆特征地出现在古元古代末
或中元古代早期,一些研究者将它们与推测的中元古代的超大陆裂解和地幔柱构造有关。
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能对地球的前寒武纪演化提供思路。
5地球演化的早期有板块构造吗?
现存大陆壳的80%～90%以上是在前寒武纪形成的,60%～80%是在太古宙形成的。因此,大陆壳的大多数岩石是TTG片麻岩和其他前寒武纪岩石,以及以它们为基底的地台型盖层沉积。显生宙形成的地壳一般是围绕在古老陆块的边部成狭长的带状分布(图1,见封二),称为造山带。在造山带及其古老大陆的边缘,前寒武纪的陆壳岩石部分被改造或拆沉到地幔中。在造山带,一些洋壳消减并部分熔融形成新的陆壳,即横向增生;消减带附近还发生有地幔和地壳的相互作用,也有新的陆壳产生,即垂向增生。显生宙的陆壳的增生可以从显生宙造山带的构造演化中去观察和研究。由于造山带及其陆缘是壳幔活动激烈、物质交换活跃、能量充足并能提供必要的空间,因此,同时也为矿产资源的形成和储藏提供了必要的场所。
,就是说,致和现在相似,的地壳高得多重要因素。板块构造是建立在大陆漂移设想的基础上的。要求地球有物质组成与物理性质有巨大差异的大陆岩石圈和大洋岩石圈块体,要求地壳、地幔和软流圈等不同圈层有一定范围的物理与化学性质,其中刚性程度、流动强度以及不同圈层之间的差别都是很重要的指标(图4,见封二)。地球刚性的岩石圈地幔与下覆的刚性弱的软流圈的差异运动是大陆漂移的基础。地幔对流是地球内部能量、自身旋转及其与其他行星的相互影响的结果,是板块运动的发动机。为什么地球上有板块构造,而金星、火星、水星、月球等星体上没有板块构造?类地星球上能否有板块构造是有条件的,如果行星表层圈岩石的流动强度太大(>200MPa),刚性的“岩石圈”太厚,其下的地幔形成不了大规范的对流循环圈,整个行星表层只是一个统一的、静止不动的刚性球壳(如月球),而不是形成诸多漂移的、相互碰撞与俯冲、或彼此分离的板块。相反,如果行星表层圈岩石的流动强度很小(
6特殊的早前寒武纪构造事件
特殊的早前寒武纪地质事件是地球早期地壳的构造机制的具体表现。代表性的构造事件可以举例如下:
TTG片麻岩的大量出现与造壳事件;蛇绿岩与绿岩带问
题;十亿年以来才出现蓝片岩与洋壳俯冲;高级变质岩石与时代专属性。
TTG片麻岩的大量出现与造壳事件是地球早期演
化最主要的事件。距离地球最近、渊源最深的月球的壳是由斜长岩高地(包括KEEP盆地,成分大约为苏长岩)以及玄武岩月海盆地组成,二者的比例为83∶17。可见斜长岩占得比例很大。斜长岩又是月岩中目前最古老的岩石,44.56,对月壳的形成有(斜长岩层、富、)。地球最古老的碎屑锆44.04亿年,并且它们被推测为TTG。最古老的岩石是在加拿大地盾的TTG片麻岩,其锆石的U2Pb年龄是40.31～40.65亿年。38亿年的古老地壳已在不同的大洲有较多发现,岩石除
TTG片麻岩外,还有包括条带状硅铁建造的沉积岩。为
什么TTG片麻岩会成为最古老的陆壳岩石,以及它们是如何形成的,至今存在重大的争议。有地球先存在玄武岩海或科马提岩海的假说,但多数意见认为TTG片麻岩很难直接从地幔中分异出来。有些学者用现代岛弧的俯冲洋片部分熔融的理论来解释早期造壳事件。但是,TTG片麻岩与埃达克质岩石的地球化学差异,以及超大比例的TTG岩石和它们多经历了高级变质作用,成为高级变质地体的主要组成,也为后一种学说带来困扰。
蛇绿岩与洋壳问题是早期造壳事件的一个关键证据。换句话说,地球上是先有洋壳还是先有陆壳?目前尚未发现早期存在洋壳的明确证据。陆地上存在的洋壳的残余,称为蛇绿岩套,它们通常由代表大洋地幔的橄榄岩,代表大洋地壳的玄武岩和辉长岩,以及一些深海沉积岩组成。目前,有学者提出在38亿年、27亿年、
25亿年、20～19亿年的岩石中,可能存在类似于蛇绿岩
的岩石,但都没有得到公认。因为它们的岩石组合、产状、地球化学等方面不同程度与显生宙的蛇绿岩特别是现代洋壳存在很大的差距。另一种可能是在早期的地球演化历史中,洋壳的组成和现代有差别。有学者推论绿岩带应代表早期的基性地壳,即早前寒武纪洋壳。前面提到了绿岩带是由没变质或很浅变质的表壳岩(火山
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条带状硅铁建造(BIF)是早前寒武纪的标志性矿产,以其储量特别巨大、矿质优秀,易于选矿、易于勘探、易于开采为特点,在成矿作用研究和经济上都具有举足轻重的作用。BIF约占世界铁矿储量的70%～80%以上,占中国铁矿储量的80%～90%以上。中国中元古代的白云鄂博超大型稀土铌铁矿床,在48km2(16km×3
km)的区域内产出了占世界资源量70%的稀土。其形
沉积岩层)组成的带状存在的岩石构造单元。它们大致可划分为超镁铁质岩组(橄榄岩、科马提岩)、镁铁质岩组(科马提岩玄武岩长英质双峰式火山岩)和钙碱性火山岩组(玄武岩安山岩长英质火山岩、沉积岩)。岩石组合与大陆型或岛弧型火山沉积岩更相似。另外大多数绿岩带都有古老片麻岩作为基底,这也是它们很难被公认为古老洋壳的原因。
目前的研究似乎表明,十亿年以来才开始有蓝片岩生成。蓝片岩是玄武质的岩石经历了高压低温变质作用形成的岩石。主要的矿物组合是蓝闪石、硬柱石、绿帘石、斜长石或石英,因此,蓝片岩含有较多的水。实验岩石学表明,蓝片岩是洋壳玄武岩类岩石在洋壳俯冲过程中形成的,这个过程提供了高压低温的物理条件和必要的水。在早前寒武纪地壳的地温梯度比较高,因此,很难形成蓝片岩。在中压变质相系的条件下,玄武质成分的岩石随温度的提高,发生绿片岩相角闪岩相榴辉岩相的变化。这与早前寒武纪的地体中所发现的变质岩类型相同。
,成了前寒武纪60%～(),0.6～0.9Gpa和750～℃
[14,15]
成和大陆裂谷导致的地幔物质的上涌与壳慢交换有关。
此外,前寒武纪的地质演化还与地球的水圈、大气圈和生物圈的演化密切相关。加强和深化前寒武纪地质研究,对地壳的形成和发展,对矿产资源、灾害与环境问题都至关重要,希望大家都关注这一学科的发展。
(2010年3月4日收到)
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。1991年以来,华北
克拉通发现有高压麻粒岩和退变质的榴辉岩存在[16,17],它们的变质温度在750～850℃,变质压力在1.0～1.2
Gpa,最高可达1.4～1.5Gpa。高压麻粒岩和退变质的
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榴辉岩与中压麻粒岩相比压力较高,因此,一些研究者提出了陆陆碰撞模式,并认为可与喜马拉雅造山带相比。但是,高压麻粒岩和退变质的榴辉岩的温压梯度约是16～22℃/km,它们仍然属于中压变质相系,比大别山变质带的高压变质相系高3～5倍或更多。具有这样的温压梯度的地壳不具备俯冲陆壳应有的刚性程度,形成陆陆碰撞造山带是困难的。Condie和Kr
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关键词 地球 陆壳 形成与演化 前寒武纪地质学
地球的年龄大约有46亿年。以5.45亿年为界,之前的称为前寒武纪,它有大约40亿年,是地球历史上漫长的地质时代。之后的称为显生宙,寒武纪就是显生宙的第一个纪元。地球陆壳的80%～90%以上是在前寒武纪形成的,记录了复杂和惊心动魄的地质构造事件,赋存着丰富的矿产资源。前寒武纪地质,的地质演化,特别是大陆的形成和增生以及演化的学科。 前寒武纪是地球形成与演化史上最为漫长的一个地质时代。我们的地球如今已经有46,在这46亿年中,5.45,时起,,,生宙,,就是寒武纪。前寒武纪是相对于寒武纪而言的。前寒武纪地质学研究的就是比寒武纪更古老的约40亿年漫长的地球地质历史。地球大陆的80%～90%以上,是在前寒武纪形成的[123],并且赋存着丰富的矿产资源。因此,解读前寒武纪的地质历史,对我们进一步认识地球、利用地球、保护地球,有着很重要的意义。
地球可以分为大陆和大洋,从地质学的角度,我们称组成大陆和大洋的岩石圈层为陆壳和洋壳,它们约占地球表面积的比例是3∶7(图1,见封二)。人类的发源地和主要栖息地是陆地,因此陆壳是怎样形成和生长的,是一个需要回答的科学问题,它对于我们认知地球、利用地球和保护地球都至关重要。
,陆地上存在海相介壳动物化“地下热火”看成地质现象的主要,地球核心是熔融的液态。由于意大利西海岸火山岩带的强烈活动,古罗马人相信有一位主管火和锻冶的
(Vulcan)。在教会统治的中世纪,“圣神,称“沃尔坎”
经”是唯一的真理。“圣经”里说有诺亚的大洪水,水成说在很长一段时期里成为不可动摇的信条。魏尔纳是水成说的集大成者。1775年起他任德国费顿堡矿山学校的教授,以出色的教学吸引了大量青年学生。他认为自原始海洋开始到诺亚洪水结束,水的力量营造了一切地质系统,自原始海洋到现在,水面在不断地下降,原始岩石露出水面后开始发生风化、堆积而形成新地层。他的学生,如达步松(1804)和布赫(1809),在考察了玄武岩和花岗岩之后,都发表了不同于魏尔纳水成说的观点。与魏尔纳观点大相径庭的一个代表人物是赫顿。这位苏格兰天才的主要调查区是加里东造山带的典型露头区苏格兰高地,那里有花岗岩和矿脉。他认为地层的固化和海洋上升为陆地是地热的作用,火山活动是释放地下能量的出口,有点象瓦特的蒸汽机(当时瓦特正在进行这方面的试验)。他的地质理论长期被说成火成论,其实他本人并不认为所有的岩石都是火成的。他对不整合面的发现和解释为18世纪的地质学增添了光彩的一笔。水成论与火成论的论战在19世纪初达到高潮。由于赫顿学说的发展,一系列新的地质事实证实了赫顿阐述的观点,火成论者终于取得了胜利。英国C.
(PrinciplesofGeology)[4]。莱伊尔的著作《地质学原理》
1大陆和大洋是怎样形成的呢?
大陆和大洋是怎样形成的?中国的古人们很早就关注到这个问题,并提出很有见地的认识。屈原的《天问》中有“圜则九重,孰营度之?八柱何当,东南何亏?”;又如《诗经》曰“:高岸为谷,深谷为陵。”提出了高岸变成深谷,深谷变成大山的沧桑巨迁的道理。在地质学发展史上,曾有水成论与火成论的论战,一度曾非常白热化。水成论者认为水对地表的改变起决定因素。纪元前,古罗马人已发现尼罗河两岸周期性地被洪水淹没、尼罗河
又名为《普通地质学教科书》、《地质学纲要》。到1872年共出版11版,中译本于1959年出版。莱伊尔提出地
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球的变化是古今一致的,地质作用的过程是缓慢的、渐进的。地球的过去,只能通过现今的地质作用来认识,即“将今论古”。他的这种观点被称为“均变论”。《地质学原理》对当时和以后的地质科学发展具有划时代的影响。今天我们来看莱伊尔火成说的最重要贡献,是它为认识到地球有核幔壳的圈层,并由它们之间的相互作用而导致了地球演化这一地球动力学学说奠定了基础。
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浅有从麻粒岩相—混合岩化的麻粒岩相—混合岩化的角闪岩相—角闪岩相—绿片岩相—未变质的相变化,也导致它们的密度与波速随之变化。地球有约46亿年的历史,它的80%～90%以上的陆壳约在25亿年以前形成,即在25亿年前地球已经有了和现在规模相当的大陆,并且大部分大陆都进入稳定状态。上下地壳分层并与地幔达到耦合,这个地质过程叫做克拉通化。在地质年代表上,25亿年是太古宙与元古宙的分界。图2(见封二)表示的是世界上不同时代的岩石出露图,其中褐色是太古宙岩石,黄色是元古宙岩石(有些地方元古宙岩石之下是太古宙岩石)。各大陆(州)边缘的白边是显生宙的岩石。在太古宙形成的陆壳,有两种基本的岩石组合,它们分别被称为高级变质的片麻岩区(简称高级区)和低级变质的绿岩带(简称绿岩带),前者约占70%～80%,后者约占20%～,主要的岩石是TTG(、辉长岩和少量的表壳岩
()。TTG片麻岩约占80%以上。TTG
2地球的大陆壳究竟有多大年龄?
根据地球上原始地幔的样品以及太阳系其他星球的陨石的定年,推测地球的年龄大约为45.6～46亿年,与月球的年龄相当。地球上最古老陆壳的年龄是多少呢?迄今为止最古老物质的数据是44.04亿年,是采自西澳大利亚Yiligarn地盾JackHills沉积砾岩的碎屑锆石的SHRIMP锆石U2Pb年龄[5]。同位素特征表明锆石是来自英云闪长质的岩石中。说明在约44亿年之前,地球上已经存在陆壳的物质———外,地质学家还在加拿大龄40.25～40.65亿云石(Acastagneiss)
[6]
的钠含量,一般认为它们的形成不能直接通过地幔的部分熔融,需要由地幔熔融形成的基性岩石(玄武岩辉长岩)再次部分熔融形成。绿岩带主要由未变质浅变质的火山沉积岩,以及花岗岩和TTG片麻岩组成。由此可见,前寒武纪形成的陆壳中有大于50%～70%的岩石是TTG片麻岩,其他的岩石是花岗岩、火山沉积岩和辉长岩等。
,,出露面积约20km。
2
地球上约38亿年的岩石有较多的出露,并且分布在不同的大陆(州)上。中国的鞍山存在着年龄约38亿年的花岗质片麻岩[7],在冀东地区有含38亿年碎屑锆石的石英(砂)岩[8]。中国最古老的物质年龄是华北南缘北秦岭南段奥陶纪火山岩中～41亿年的锆石残留年龄[9],表明华北在41亿年前已有古老的陆壳存在。虽然人们猜测地球的陆壳形成之前,可能有类似于现代大洋成分的岩浆海,也就是说先有洋壳,陆壳是在洋壳与地幔的演化中形成的,但是至今未发现有大于38亿年的类似于洋壳成分的岩石。这给研究地球的早期演化蒙上了一层神秘的面纱。
4神秘的早前寒武纪的岩石
早期寒武纪的岩石是神奇的,这主要是因为它们的年龄老,大多数都老于25亿年;还因为它们在地球的发展历史上大多陆壳没有重复,即在显生宙的地质过程中很难再形成这样的岩石。这也暗示出,地球的演化过程及其机制并不是千古一理的。主要的代表性岩石有
TTG片麻岩、科马提岩、条带状硅铁建造、非造山岩浆组
3大陆壳的岩石组成是什么?
一般认为大陆壳是分层的,即下部地壳是由中基性岩石组成,上部陆壳是由花岗质岩石组成,这与不同地壳层的波速相对应。实际上,上、下地壳的岩石组成更复杂,它们是由不同类型的岩石组合在一起的。总体上,上地壳的化学成分硅铝质偏高,下地壳的化学成分镁铁质偏高。此外,由于不同深度的地壳所处环境的温度压力会随着深度的变化而增高,陆壳的地温梯度平均约30℃/km,岩石在较高的温度和压力下会发生矿物结构和矿物组合的变化,即变质相不同。地壳深度从深到
合(斜长岩、奥长环斑花岗岩)。
TTG片麻岩(图3(a),见封二)由于颜色灰白,通常
经历复杂的变形,岩石中的片状和柱状的矿物如黑云母、角闪石、辉石等定向排列,并常与暗色的角闪岩(麻粒岩)形成条带,又称为灰色片麻岩或条带状片麻岩。
TTG是trondhjemite(奥长花岗岩)、tonalite(英云闪长
岩)和granidiorite(花岗闪长岩)三个英文单词的缩写,是一套富钠贫钾的花岗质侵入岩。如前面所说,TTG岩浆很难从地幔中直接熔融出来,因此一些研究者假设它
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ironformations,简称BIF。最古老的BIF的形成时代
们是从由地幔派生的基性岩石再次熔融形成的。假设的理论是地球上先有类似于现代洋壳的玄武质岩石,它们经历了俯冲作用到约10～20km的地壳深部。然后发生部分熔融,形成了TTG岩浆。该模式的困难是,至今为止,地球上最古老的岩石都是TTG片麻岩,没有找到存在最古老基性岩石的记录。另外,显生宙与洋壳俯冲有关的活动陆缘的安第斯型岛弧的埃达克质岩石与前寒武纪TTG片麻岩相比,更加复硅贫镁,二者在成因上应有差别
[10]
约为38亿年,在19亿年之后就不再形成。“条带状硅铁建造(BIF)”的出现是地球早期大气和海洋的氧分压大幅提升的重要标志性事件。研究表明:在太古宙海水处于还原状态,有大量的2价铁离子溶解于海水中。当海底火山喷发,并由此引起微生物生长而引起氧化度增高时,2价铁部分变成3价铁,形成铁的氧化物沉积,从而形成铁矿。在早元古代,海水的氧化度已较大提高,因此是条带状硅铁建造大量形成的时期。而后,虽然大气与海水中的氧的分压都较高,但是,海水中的铁含量已经较低,有铁的结核产生,但已经没有了形成条带状铁建造的物质基础。唯一的例外是在约8～6.3亿年期间,地球上处于一个大冰期阶段,该时期称为成冰纪。有证据表明,,又[12],出现形,但对于条带状铁建造的形成条件以及,都有科学意义。
斜长岩和非造山岩浆组合,是早前寒武纪的重要岩石类型。在月球上广泛出露的斜长岩,在地球上出露比例很小。太古宙的斜长岩常与淡色辉长岩和辉长岩组成层状岩体。斜长石多形成近等粒、雪花状的巨晶。元古宙的斜长岩主要与奥长环斑花岗岩、辉长岩以及碱性花岗岩、正长岩和碱性火山岩等有成因联系的岩浆岩组合。顾名思义,非造山岩浆组合就是指陆内非造山的构造环境的岩浆活动的产物。非造山岩浆岩以深成岩体和岩墙的形式产出,代表相对小体积的岩浆,就位在老克拉通核附近。非造山岩浆岩的产生方式及演化过程可能有多种:玄武质岩浆的结晶分异,英云闪长岩或更酸性地壳的部分熔融,壳幔源区的混合。奥长环斑花岗岩是具有A型花岗岩特征的,以大岩基形式产出的显示环斑结构的花岗岩[13]。它的结构非常奇特(图3(d),见封二),奥长石的边环绕在钾长石斑晶外围,反映了在岩浆过程中的物理化学条件的变化引起的矿物结晶过程。环斑花岗岩的地球化学特征是亚碱性,偏铝质,高FeOt/
(FeOt+MgO),高K2O和不相容元素(REE,Zr,Hf),
。另外的岩浆分异说认为,在太古宙,从
地幔派生的高MgO+FeO成分的镁铁质岩石有较大的密度,因而,这些熔体的大部分未能达到上部地壳位置。科马提岩来源于上地幔曾发生的高度(60%～80%)的部分熔融作用和熔体有大于3g/cm3的密度,因而会有大多数这样的物质将在或接近地壳基底部分停留下来,趋向于形成不混熔液体,经重力分离作用后,上升到地壳上面,形成玄武岩或英云闪长岩;而遗留下来的橄榄岩质残留物的密度比原始物质要小,它们将浮起在未亏损地幔上部,并趋向于与上覆岩石圈合并,拉通化和巨厚的岩石圈[11]。
,,在早前寒武纪特别是太古宙普遍出现,但在显生宙很少出现的岩石。很显然和地球高温有关。因此,对它的成因多数人倾向于是和地幔柱构造有关的构造作用下,地幔发生了大比例的熔融,从而形成的超镁铁质岩浆,其熔融的温度应在1400～1600℃,至少大于1200℃。该岩石1969年首次发现于南非巴伯顿山地的科马提(Komati)河流域,故名科马提岩。原意是指只限于太古宙绿岩带中中枕状岩流顶部的、具鬣刺结构的超镁铁质熔岩。岩石主要由橄榄石、辉石的斑晶(或骸晶)和少量铬尖晶石以及玻璃基质组成,具枕状构造、碎屑构造,和典型的鬣刺结构
(鱼骨状或羽状),其特点是橄榄石呈细长的锯齿状斑晶(图3(b),见封二),是淬火结晶的产物。在化学成分上
典型的科马提岩以MgO>18wt%(无水)、CaO:Al2O3
>1、高Ni,Cr,Fe/Mg,低碱为特征。科马提岩是太古
宙重要的有代表性的火山岩,是绿岩带的主要组成部分。其他太古宙的火山岩还有枕状的玄武岩和英安岩,它们在显生宙也广泛存在于造山带中,但是却很少有科马提岩,说明地幔的熔融温度低得多,熔融程度也低得多。与科马提岩有关的矿产有各铜、锑、镍,其中镍矿储量尤为丰富。
条带状硅铁建造是由硅质(石英玻璃的成分)和铁的氧化物(磁铁矿为主)互为条带的岩石建造(图3(c),见封二),条带宽约几毫米至几厘米。英文是banded
亏损Ca,Mg,Sr,P,Ti等,高初始87Sr/86Sr(0.705±0.
003),负的或接近0的εNd值。因此,环斑花岗岩就位
于相对干的、高氧逸度、温度650～800℃、深度不超过
15km的条件。非造山岩浆特征地出现在古元古代末
或中元古代早期,一些研究者将它们与推测的中元古代的超大陆裂解和地幔柱构造有关。
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能对地球的前寒武纪演化提供思路。
5地球演化的早期有板块构造吗?
现存大陆壳的80%～90%以上是在前寒武纪形成的,60%～80%是在太古宙形成的。因此,大陆壳的大多数岩石是TTG片麻岩和其他前寒武纪岩石,以及以它们为基底的地台型盖层沉积。显生宙形成的地壳一般是围绕在古老陆块的边部成狭长的带状分布(图1,见封二),称为造山带。在造山带及其古老大陆的边缘,前寒武纪的陆壳岩石部分被改造或拆沉到地幔中。在造山带,一些洋壳消减并部分熔融形成新的陆壳,即横向增生;消减带附近还发生有地幔和地壳的相互作用,也有新的陆壳产生,即垂向增生。显生宙的陆壳的增生可以从显生宙造山带的构造演化中去观察和研究。由于造山带及其陆缘是壳幔活动激烈、物质交换活跃、能量充足并能提供必要的空间,因此,同时也为矿产资源的形成和储藏提供了必要的场所。
,就是说,致和现在相似,的地壳高得多重要因素。板块构造是建立在大陆漂移设想的基础上的。要求地球有物质组成与物理性质有巨大差异的大陆岩石圈和大洋岩石圈块体,要求地壳、地幔和软流圈等不同圈层有一定范围的物理与化学性质,其中刚性程度、流动强度以及不同圈层之间的差别都是很重要的指标(图4,见封二)。地球刚性的岩石圈地幔与下覆的刚性弱的软流圈的差异运动是大陆漂移的基础。地幔对流是地球内部能量、自身旋转及其与其他行星的相互影响的结果,是板块运动的发动机。为什么地球上有板块构造,而金星、火星、水星、月球等星体上没有板块构造?类地星球上能否有板块构造是有条件的,如果行星表层圈岩石的流动强度太大(>200MPa),刚性的“岩石圈”太厚,其下的地幔形成不了大规范的对流循环圈,整个行星表层只是一个统一的、静止不动的刚性球壳(如月球),而不是形成诸多漂移的、相互碰撞与俯冲、或彼此分离的板块。相反,如果行星表层圈岩石的流动强度很小(
6特殊的早前寒武纪构造事件
特殊的早前寒武纪地质事件是地球早期地壳的构造机制的具体表现。代表性的构造事件可以举例如下:
TTG片麻岩的大量出现与造壳事件;蛇绿岩与绿岩带问
题;十亿年以来才出现蓝片岩与洋壳俯冲;高级变质岩石与时代专属性。
TTG片麻岩的大量出现与造壳事件是地球早期演
化最主要的事件。距离地球最近、渊源最深的月球的壳是由斜长岩高地(包括KEEP盆地,成分大约为苏长岩)以及玄武岩月海盆地组成,二者的比例为83∶17。可见斜长岩占得比例很大。斜长岩又是月岩中目前最古老的岩石,44.56,对月壳的形成有(斜长岩层、富、)。地球最古老的碎屑锆44.04亿年,并且它们被推测为TTG。最古老的岩石是在加拿大地盾的TTG片麻岩,其锆石的U2Pb年龄是40.31～40.65亿年。38亿年的古老地壳已在不同的大洲有较多发现,岩石除
TTG片麻岩外,还有包括条带状硅铁建造的沉积岩。为
什么TTG片麻岩会成为最古老的陆壳岩石,以及它们是如何形成的,至今存在重大的争议。有地球先存在玄武岩海或科马提岩海的假说,但多数意见认为TTG片麻岩很难直接从地幔中分异出来。有些学者用现代岛弧的俯冲洋片部分熔融的理论来解释早期造壳事件。但是,TTG片麻岩与埃达克质岩石的地球化学差异,以及超大比例的TTG岩石和它们多经历了高级变质作用,成为高级变质地体的主要组成,也为后一种学说带来困扰。
蛇绿岩与洋壳问题是早期造壳事件的一个关键证据。换句话说,地球上是先有洋壳还是先有陆壳?目前尚未发现早期存在洋壳的明确证据。陆地上存在的洋壳的残余,称为蛇绿岩套,它们通常由代表大洋地幔的橄榄岩,代表大洋地壳的玄武岩和辉长岩,以及一些深海沉积岩组成。目前,有学者提出在38亿年、27亿年、
25亿年、20～19亿年的岩石中,可能存在类似于蛇绿岩
的岩石,但都没有得到公认。因为它们的岩石组合、产状、地球化学等方面不同程度与显生宙的蛇绿岩特别是现代洋壳存在很大的差距。另一种可能是在早期的地球演化历史中,洋壳的组成和现代有差别。有学者推论绿岩带应代表早期的基性地壳,即早前寒武纪洋壳。前面提到了绿岩带是由没变质或很浅变质的表壳岩(火山
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条带状硅铁建造(BIF)是早前寒武纪的标志性矿产,以其储量特别巨大、矿质优秀,易于选矿、易于勘探、易于开采为特点,在成矿作用研究和经济上都具有举足轻重的作用。BIF约占世界铁矿储量的70%～80%以上,占中国铁矿储量的80%～90%以上。中国中元古代的白云鄂博超大型稀土铌铁矿床,在48km2(16km×3
km)的区域内产出了占世界资源量70%的稀土。其形
沉积岩层)组成的带状存在的岩石构造单元。它们大致可划分为超镁铁质岩组(橄榄岩、科马提岩)、镁铁质岩组(科马提岩玄武岩长英质双峰式火山岩)和钙碱性火山岩组(玄武岩安山岩长英质火山岩、沉积岩)。岩石组合与大陆型或岛弧型火山沉积岩更相似。另外大多数绿岩带都有古老片麻岩作为基底,这也是它们很难被公认为古老洋壳的原因。
目前的研究似乎表明,十亿年以来才开始有蓝片岩生成。蓝片岩是玄武质的岩石经历了高压低温变质作用形成的岩石。主要的矿物组合是蓝闪石、硬柱石、绿帘石、斜长石或石英,因此,蓝片岩含有较多的水。实验岩石学表明,蓝片岩是洋壳玄武岩类岩石在洋壳俯冲过程中形成的,这个过程提供了高压低温的物理条件和必要的水。在早前寒武纪地壳的地温梯度比较高,因此,很难形成蓝片岩。在中压变质相系的条件下,玄武质成分的岩石随温度的提高,发生绿片岩相角闪岩相榴辉岩相的变化。这与早前寒武纪的地体中所发现的变质岩类型相同。
,成了前寒武纪60%～(),0.6～0.9Gpa和750～℃
[14,15]
成和大陆裂谷导致的地幔物质的上涌与壳慢交换有关。
此外,前寒武纪的地质演化还与地球的水圈、大气圈和生物圈的演化密切相关。加强和深化前寒武纪地质研究,对地壳的形成和发展,对矿产资源、灾害与环境问题都至关重要,希望大家都关注这一学科的发展。
(2010年3月4日收到)
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Gpa,最高可达1.4～1.5Gpa。高压麻粒岩和退变质的
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榴辉岩与中压麻粒岩相比压力较高,因此,一些研究者提出了陆陆碰撞模式,并认为可与喜马拉雅造山带相比。但是,高压麻粒岩和退变质的榴辉岩的温压梯度约是16～22℃/km,它们仍然属于中压变质相系,比大别山变质带的高压变质相系高3～5倍或更多。具有这样的温压梯度的地壳不具备俯冲陆壳应有的刚性程度,形成陆陆碰撞造山带是困难的。Condie和Kr