地球地殼組分

地球地殼組分作者：卡卡西關(guān)于我主要內(nèi)容地表高程與地球的地殼類型大洋地殼大陸地殼陸殼演化與深時(shí)地球ImagefromUSGS地球內(nèi)部的圈層結(jié)構(gòu)與地殼地殼是類地行星最外層的固體圈層地球地殼的厚度一般在幾千米至幾十千米地殼的質(zhì)量占地球的～0.5%Imagecredit:GeographicStock/GettyImages地表高程分布與地球的兩類地殼（陸殼與洋殼）AlfredWegener,1880-1930“Inthewholeofgeophysicsthereishardlyanotherlawofsuchclarityandreliabilityasthis—thattherearetwopreferentiallevelsfortheworld’ssurfacewhichoccurinalternationsidebyside,andarerepresentedbythecontinentsandoceanfloors,respectively.”地球的兩類地殼7Lorenzetal.,2011固體星球表面的高程分布陸殼與洋殼陸殼縱向上，從地表到莫霍面（P波波速從7

km/s快速增加到8

km/s），在有些區(qū)域，莫霍面不是截然的。橫向邊界在大陸架的邊緣。洋殼縱向上，從地表到5-10km下的莫霍面。橫向上，陸殼之外的地方。Imagecredit:McGraw-HillEducation9陸殼占地表面積約40%，但是大陸地殼有約31%的地方在海平面以下。洋殼占剩下的～60%的面積。1.

大洋地殼海洋探索與洋殼19世紀(jì)以前，人類對(duì)海底幾乎一無所知，認(rèn)為海底很平，沒有什么特征。19世紀(jì)，隨著海洋測深工作的開展，海底地貌形態(tài)逐漸顯現(xiàn)。20世紀(jì)，海洋調(diào)查工作大規(guī)模開展，新的設(shè)備如聲吶、鉆探船等將人類對(duì)海底的認(rèn)識(shí)推到了全新的高度，包括海底磁條帶被發(fā)現(xiàn)，海底擴(kuò)張理論提出，最終的板塊構(gòu)造理論建立。第一艘深海鉆探科考船：TheGlomarChallenger,設(shè)計(jì)于1960年代末。ImagefromUSGS.11洋殼的垂向結(jié)構(gòu)沉積物枕狀玄武巖層狀巖墻（玄武巖）輝長巖地幔橄欖巖洋殼Imagefromwiki洋中脊是洋殼形成的地方，大部分位于海平面以下。大西洋洋中脊在冰島露出海平面。裂谷兩側(cè)為北美板塊和歐亞板塊。枕狀玄武巖，典型的水下噴發(fā)特征洋殼的巖石、礦物、化學(xué)組成洋殼主要由玄武巖（上層）與輝長巖（下層）組成。兩種巖石在化學(xué)上沒有區(qū)別，輝長巖的結(jié)晶度更好。主要組成礦物：輝石、長石、橄欖石。玄武巖輝長巖wt.%SiO2Al2O3FeOTMgOCaONa2OK2OP2O5洋殼50.115.78.310.311.82.210.110.1洋殼的成因—地幔減壓熔融在洋中脊，熱的軟流圈物質(zhì)上涌，在60-100

km，開始發(fā)生部分熔融，最終的熔融程度20-40%（擴(kuò)張速率越快，熔融程度越高）。dG/dP=V，恒溫下，減壓驅(qū)使反應(yīng)向密度低、摩爾體積大的方向進(jìn)行。陸殼與洋殼洋殼的研究只有幾十年，如今我們對(duì)洋殼的成分、結(jié)構(gòu)和成因有了比較完整的認(rèn)識(shí)；人類在陸殼上生活至今，陸殼的成因、深部的成分和結(jié)構(gòu)、演化歷史等都沒能獲得一致的認(rèn)識(shí)…162.

大陸地殼陸殼的垂向結(jié)構(gòu)上地殼中地殼下地殼~40

km~12

km厚P波波速<5.7—6.4

km/s沉積巖、花崗質(zhì)巖石、少量鎂鐵質(zhì)和其他種類巖石~11

km厚P波波速6.4—7.1

km/s中酸性到基性，角閃巖相~17

km厚P波波速7.1—7.6

km/s偏基性，堆晶，麻粒巖相RudnickandFountain,1995,RoG18大陸上地殼—我們了解最多的部分主要巖石組成：主要是花崗巖類，少量各類沉積巖、玄武巖等。19黃山江門中微子實(shí)驗(yàn)室藏在一個(gè)花崗巖巖體中獲得上地殼成分的方法一F.W.Clarke,1847-1931大面積網(wǎng)格采樣算平均。Clarke率先開展相關(guān)工作，給出第一個(gè)大陸上地殼成分表。20巨大的工作量（野外和實(shí)驗(yàn)室分析）是研究上地殼主量元素組成唯一的方法。21獲得上地殼成分的方法一上地殼主量元素成分RudnickandGao(2014)F.W.Clarke上地殼的成分是長英質(zhì)的（長石、石英為主要礦物）。一百多年，我們對(duì)上地殼成分的估計(jì)，差別并不大…RobertaRudnickShanGao22方法二：巧借大自然之力ShalesfromthenorthernNorway.Photocredit:碎屑沉積巖記錄大陸上地殼的平均成分。20世紀(jì)七八十年代，TaylorandMcLennan等人提出用頁巖獲得大陸上地殼不活動(dòng)元素的平均成分。23頁巖LoessfromMississippi,USA.PhotofromWikipediaEarlyProterozoicdiamictitesfromtheBruceformation,Canada.Photocredit:RichGaschnig冰磧巖、黃土制約上地殼平均成分25上地殼的REE組成RudnickandGao,2014,ToG26碎屑沉積巖只能用于不活動(dòng)元素（不易溶），大陸上地殼的稀土組成是碎屑沉積巖應(yīng)用的成功案例。地震波速對(duì)深部陸殼成分的制約實(shí)驗(yàn)室測得的不同成分巖石的VpHuangetal.,2013,Gcubed上地殼Vp:<5.7—6.4

km/s;中地殼Vp:

6.4—7.1

km/s；下地殼Vp:

7.1—7.6

km/s.地震波速數(shù)據(jù)顯示陸殼的成分隨深度增加逐漸偏向鎂鐵質(zhì)。27深部地殼（中地殼、下地殼）深部地殼會(huì)被構(gòu)造、巖漿活動(dòng)帶到地表，為我們提供研究深部地殼的機(jī)會(huì)。中地殼：角閃巖；下地殼：麻粒巖、榴輝巖等。深部地殼的成分有不少爭議，大部分研究認(rèn)為中下地殼偏基性（如RudnickandGao,2014），也有一些學(xué)者認(rèn)為下地殼也是中酸性的（如Hackeretal.,2011）。地震數(shù)據(jù)似乎更支持深部地殼偏基性。28麻粒巖角閃巖深部地殼（中地殼、下地殼）Hackeretal.[2011]29RudnickandGao,2003Hackeretal.,2011下地殼組成大部分類地行星的地殼是鎂鐵質(zhì)的，鎂鐵質(zhì)地殼是相對(duì)原始的地殼。但是條件合適，鎂鐵質(zhì)巖漿可以發(fā)生大量的化學(xué)分異，形成長英質(zhì)地殼。一種經(jīng)典的分異方式是分離結(jié)晶—巖漿逐漸冷卻的過程伴隨著礦物結(jié)晶，由于大部分礦物比熔體密度高，礦物與熔體發(fā)生重力分離。礦物的成分往往和熔體不一樣，持續(xù)的分離結(jié)晶導(dǎo)致熔體向高SiO2和低MgO、FeO、CaO的方向演化。Imagecredit:M.Keskin,2013,Wikipedia巖漿的化學(xué)分異長英質(zhì)陸殼是巖漿高度分異的產(chǎn)物。陸殼的成因有爭議，目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為陸殼形成于俯沖帶。富水的弧巖漿，結(jié)合更厚的地殼，經(jīng)歷了更大程度的分異作用，形成大量長英質(zhì)巖漿（高SiO2，低MgO、FeO、CaO）。由這些巖漿冷凝形成的安山巖、花崗巖等是大陸地殼重要的巖石類型。ImagefromTang,2020陸殼的成因陸殼洋殼厚度20-80

km，平均35

km~7

km海拔大部分位于海平面以上海平面以下年齡平均~20億年，最老40億年平均~6千萬年，最老2億年密度~2.8

g/cm3~3.0

g/cm3成分含有大量安山巖和花崗巖，平均成分接近閃長巖（SiO2=61wt.%)由玄武巖和輝長巖組成（SiO2=50wt.%)陸殼與洋殼的對(duì)比大陸地殼是一種高度分異的行星地殼，為地球獨(dú)有，其他類地行星的地殼成分和地球的洋殼比較接近，都是分異程度較低的地殼。為什么只有地球有大面積的長英質(zhì)的地殼呢？TablefromTang,2020地球獨(dú)一無二的大陸地殼3.陸殼演化與深時(shí)地球34板塊構(gòu)造本身不停地重塑地表，抹去地球的歷史記錄。老于6億年的出露巖石少于50%；老于30億年的出露巖石少于5%；老于40億年的巖石記錄完全缺失。MapfromBedardetal.,2013保存問題35大陸的生長Hawkesworthetal.,2017,AREPS36長英質(zhì)的陸殼什么時(shí)候出現(xiàn)的？37在巖漿演化分異過程中，Ni/Co、Cr/Zn和MgO含量有很好的相關(guān)性，且這四個(gè)元素在地表相對(duì)難溶，沉積巖中的比值能夠反映沉積巖源區(qū)的特征。Tangetal.,2016,Science用難溶微量元素反演地殼的化學(xué)分異程度38頁巖(photocredit:)冰川成因的混雜巖(GogandaFormation)陸源碎屑沉積巖39太古宙的樣品比后太古宙的樣品有顯著偏高的Ni/Co、Cr/Zn比值，暗示太古宙的上地殼更鎂鐵質(zhì)。Tangetal.,2016,Science不同時(shí)代頁巖和混雜巖中的Ni/Co、Cr/Zn比值40Tangetal.,2016,Science陸源碎屑沉積巖中的Ni/Co、Cr/Zn在太古宙晚期逐漸降低41Tangetal.,2016,Science上地殼在3.0-2.5Ga間由鎂鐵質(zhì)轉(zhuǎn)變成硅鋁質(zhì)，暗示板塊構(gòu)造的全面啟動(dòng)42長英質(zhì)地殼大量出現(xiàn)時(shí)間的各種觀點(diǎn)長英質(zhì)陸殼與板塊構(gòu)造其他類地行星沒有板塊構(gòu)造，也沒有長英質(zhì)陸殼。至少從顯生宙的記錄來看，長英質(zhì)陸殼的形成和板塊構(gòu)造是密切相關(guān)的。板塊構(gòu)造提供了巖漿高度演化需要的水，提供了造山的環(huán)境（鈣堿性分異問題）。板塊構(gòu)造的啟動(dòng)和長英質(zhì)陸殼的出現(xiàn)可能是同步的。板塊構(gòu)造的啟動(dòng)時(shí)間，有非常大的爭議，不同的記錄、研究手段給出了很不一樣的結(jié)果。44總結(jié)大洋地殼

較?。?-7km），低分異，鎂鐵質(zhì)，年輕（<2億年），形成于洋中脊大陸地殼

較厚（10-80

km），高分異，長英質(zhì)，古老（最老巖石