02第二章地球起源及圈层结构

第二讲地球的起源与圈层结构

一、地球起源二、地球圈层结构三、岩石圈结构与类型四、中国岩石圈结构与特征一、地球起源星云说1755年德国哲学家康德在其《自然通史与天体理论》一书中，提出了太阳起源的星云说。太阳形成：微粒状的弥漫的原始物质——引力作用——聚集形成团块——聚集加速——形成巨大的球体——旋转体（太阳形成）；地球形成：球体以外的物质——在原始太阳的作用下——围绕太阳赤道形成扁平的旋转星云——星云物质聚集成团块——形成行星拉普拉斯星云说：1796年法国数学家拉普拉斯在《宇宙体系论》中，提出了关于太阳系起源的星云说：太阳系原始物质是炽热的星云——缓慢地转动——星云逐渐收缩（致密）——转动速度变快——星云逐渐变成星云盘，离心力——缘的物质便分离出来——形成一个旋转的环(拉普拉斯环)——环分离——中心为太阳，外部行星霍伊尔－沙兹曼假说英国天文学家E-霍伊尔和德国天文学家-沙兹曼从电磁作用机制提出假说原始太阳系是温度不高、转动不快的的星云——随着收缩的加剧，转动速度加快——赤道突出并抛出物质——逐渐形成一个圆盘——中心体继续收缩形成太阳；由于星际空间存在着很强的磁场，磁流体力学作用——产生磁力矩——太阳的角动量转移到圆盘上——圆盘向外扩展——轻物质远离太阳聚集成行星。彗星撞击说18世纪法国生物学家布韦提出彗星碰撞说，彗星撞击太阳，碎片冷却形成地球“宇宙大爆炸宇宙论”1932年勒梅特提出大爆炸概念，1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论，认为宇宙由200亿年前发生的一次大爆炸形成。爆炸之初物质以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子——温度降低冷却，形成原子、原子核、分子——复合成为气体——气体逐渐凝聚成星云，进一步形成各种各样的恒星和星系。威尔金森各向异性探测器（WMAP）拍摄到大爆炸发生后宇宙微波背景的影像非均匀吸积假说（Turekian，Clark，1969；欧阳自远，1995）1、M群巨星子（铁陨石）——广泛熔融，重力分异，形成地核和下地幔2、晚期C群（碳质球粒陨石）及L群（低铁球粒陨石）小星子——部分熔融，形成横向不均一的上地幔和原始地壳均匀吸积假说（阿莱格尔，1989）2002年，Re-Os系统，铁陨石生成年龄为46.1亿年

全球40亿年碎屑锆石分布国内~4.0Ga锆石特征2001年，Wilde等对西澳地区Yilgarn克拉通JackHills地区太古代变质砾岩，用SHRIMPU-Pb分析，发现了迄今为止地球上最老的年龄纪录，达到4404±8Ma。1973年在格陵兰发现的，年龄为38亿年

西澳大利亚沉积岩44-42亿年碎屑锆石

辽宁鞍山花岗质残块38Ma（刘敦一，1991）

冀东迁西群石英岩37-36Ma碎屑锆石

南非Witwatersland沉积铀矿，34亿年的晶质铀矿碎屑

石英岩锆石CL图像白云母石英片岩锆石CL图像石英岩

古地理和古地磁研究表明西藏雅鲁藏布江带缝合带西段和华南地块与东冈瓦纳地块具有明显的亲缘关系(Allegreetal．1984;Yangetal.2004)西藏普兰变质沉积岩的老锆石与西澳JackHills冥古宙碎屑锆石(＞4.0Ga)的沉积物源区具有成因联系？

仲巴与澳大利亚物源成因联系？西藏和澳大利亚同属冈瓦纳古陆，＞4.0Ga的碎屑锆石可能存在物源上的成因联系二、地球的圈层结构地球内部结构是全面准确认识地球演化及其动力学的基础和关键地球内部组成与结构研究方法：地球物理、超深钻、地球化学与岩石学地震反射二、地球的圈层结构一）圈层划分依据：根据成分和力学性质可将地球内部划分为不同的同心圈层；主要是依据地震波在地球内部传播速度的变化。波速或速度梯度有明显变化的深度称为不连续面或分界面。地震波类型纵波（P）：质点位移与传播方向一致的波体波横波（S）－质点位移与传播方向垂直的波

驻波(自由震荡)

面波(体波折射派生的分界面或表面传播的波)波速与密度和弹性关系：地壳深部弹性比密度增加快，波速逐渐变大

Vp＝√（k＋4/3μ）/ρ；

Vs＝√μ/ρ

（ρ：密度，k：体变模数，μ：切变模数））地震波(弹性)P波与S波传播与物性状态P波能在固体液体中传播，S波只能在固体传播莫霍面——莫霍洛维奇不连续面（MOHO）莫霍洛维奇（1857-1936）克罗地亚地球物理学家，1909年于研究巴尔干地区发现，在该界面附近，纵波的速度从7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右；横波的速度也从4.2km/s突然增至4.4km/s。出现的深度在大陆之下平均为33km,大洋之下平均为7km1910年莫霍洛维奇提出地球有内外层之分——地幔和地壳；地壳与地幔的分界面也就被称之为莫霍洛维奇不连续面（莫霍面）。Moho——岩石圈内部的重要界面地幔底侵的关键的场所壳-幔拆离的界面壳-幔反应与交换华北地块Moho塔里木Moho地壳断面综合解释图TwoWayTime/Second24681012141618202224262830MohoMoho？KFZoneKarakoramFaultKarakoramBranchFault底侵作用（underplating）上地幔的部分熔融或软流圈上涌减压熔融作用所产生的玄武质岩浆从下面添加到陆壳底部的过程。科拉半岛超深钻下地壳流动？重要滑脱面？康拉德不连续面(壳内）纵波（P波）5.6km/s——7.6km/s左右，横波（S波）由3.2km/s——4.2km/s左右在地壳中平均深度约20km（陆地）处，深度变化较大，最深约40km，陆地最浅约10km，海洋明显浅得多，甚至没有。康拉德面以上平均化学组成与花岗岩相似（密度2.7左右），以下与玄武岩相似（密度2.9左右）。科拉半岛超深钻古登堡面（Gutenbergdiscontinuity）1914年，德国地球物理学家古登堡发现地下约2900千米处地震波的传播速度有明显下降（纵波速度下降:13.6km/s下降到7.9km/s，横波直接消失:固态-液态）。地核与地幔的分界层1)按地震波速度和速度梯度变化——

地壳

地幔（上地幔、过渡带、下地幔）地核（外核、过渡层、内核）2)按地震波速度反映的物质状态——

岩石圈、软流圈莫霍面和古登堡面将地球分为三大部分，即地壳、地幔和地核地球的圈层结构：成分、温度、压力与状态变化地球的圈层结构：密度、速度变化Density地球圈层的形成——热、重力分异模型重力作用和高温影响，地球物质发生部分熔融，重者下沉，轻者上浮，导致大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构铁和镍比较重，含量也多，分离出来成为液态的金属向中心聚集－地核较轻的硅酸盐物质形成地幔和地幔之上的地壳气体和水等轻物质被吸引在固体球的外围三、岩石圈的结构与类型岩石圈:是地球的刚性外壳构成：地壳+上地幔刚性顶盖岩石圈厚度~20-150km大陆区：110-150km大洋区：70-80km洋脊和岛弧区：20-50km一）岩石圈的类型大陆、大洋、过渡型岩石圈现今地球表面结构与岩石圈类型（30%大陆+70%大洋）二）大洋岩石圈（地壳）的结构与组成大洋地壳——结构与组成现代洋壳年龄结构(<200Ma)过渡型岩石圈大西洋型（被动陆缘）安地斯型（主动陆缘）西太平洋型（岛弧主动陆缘）太平洋型过渡型岩石圈大西洋型（被动陆缘）大西洋型（被动陆缘）西太平洋型（岛弧主动陆缘）大西洋型西太平洋型东太平洋型三）大陆岩石圈结构大陆岩石圈4个分层:上地壳、中地壳、下地壳、上地幔刚性层2中地壳（厚度8-20km)陆壳的年龄大陆增生陆壳结构垂向上：存在一薄弱带大陆岩石圈三明治式流变结构——岩石力学实验认为大陆可能存在弱的下地壳大洋岩石圈结构大陆岩石圈结构壳内低速层——地壳变形的最基本的深层原因四）大陆地壳的类型类型：克拉通（地台、地盾）；造山带；大陆裂谷1克拉通（Craton)是大陆均衡的正向部分，在构造上比相邻的活动带更稳定，包括地盾和地台CratonwasfirstproposedbytheGermangeologistL.Koberin1921as"Kratogen",referringtostablecontinentalplatforms,and"orogen"asatermformountainororogenicbelts.Laterauthorsshortenedtheformertermtokratonandthentocraton.构成陆核：Cratonsaregenerallyfoundintheinteriorsofcontinentsandarecharacteristicallycomposedofancientcrystallinebasementcrustoflightweightfelsicigneousrocksuchasgranite.

古老地块：Acratonisanoldandstablepartofthecontinentalcrustthathassurvivedthemergingandsplittingofcontinentsandsupercontinentsforatleast500millionyears.Someareovertwobillionyearsold.

巨大的厚度：Theyhaveathickcrustanddeeprootsthatextendintothemantlebeneathtodepthsof200km.

稳定：Beingstablesincefinalcratonization.Craton白瑾等（1996）根据航磁资料成果，将中朝陆块的中国部分（即华北地区）划分为6个陆核：东胜、赤峰、辽吉、临汾、渤海和济宁陆核东胜赤峰辽吉临汾渤海济宁地盾（Shields）

位置：位于大陆的中部，是陆壳中最稳定的部分，也是大陆岩石圈板块的主体。组成：由前寒武纪变质岩组成，沉积盖层薄或没有，以深成岩和变质岩为主。年龄：岩石年龄从600Ma－4.2Ga是一套有复杂经历的深变质岩系，所经历埋藏深度5-35km；地台（platforms）

地台具有基底和盖层的双层结构，基底为前寒武纪变质岩，盖层为相对未变质的沉积岩。Shieldsandadjoiningplatformsmakeupcratons北美克拉通Typicalexamples1NorthAmerica(SuperiorandSlave)andGreenland2SouthAmerica(Brazil)3Africa(WesternAfrica,Barberton,Kaapvaal,Zimbabwe)4WesternAustralia(YilgarnandPilbara)5Asia(India,NorthChina,Tarium,Yangtze)NorthChinacratonTTG岩系（杂岩体）英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩（TTG；

tonalite-trondhjemite-granodiorite）组成。TTG杂岩体是现存地球最古老的地壳岩石，它们在克拉通中普遍存在，是现今大陆的最古老、最稳定的陆核。TTG岩石组合（岩套）：Trondhjemite（奥长花岗岩）+Tonalite（英云闪长岩）+Granodiorite（花岗闪长岩），占太古宙陆壳面积的50-60%。TTG组合分类：高铝和低铝两种类型（Al2O3含量15wt%界限）TTG由成因：玄武质的岩石在高压的条件下部分熔融形成，一种是认为TTG是加厚地壳发生部分熔融产生，另一种观点则认为TTG是俯冲板片发生部分熔融形成。灰色片麻岩(greygneiss)：名词本身而言并无确切的岩石类型和成因含意，高级变质区以长石和石英为主要成分的片麻状岩石，包括：TTG片麻岩、副片麻岩和混合片麻岩。Neo-Archeanconglomerate,

Superiorcraton,Ontario地台

基底岩系盖层岩系中国大陆中太古代变质岩露头分布阜平群锆石U-Pb年龄2800±190Ma(吴昌华等,2000);鞍山群3.186­–2.819Ga；辽西建平群>2.97Ga;阿拉善群为>2.9Ga;河北迁西群>3.0Ga………中国大陆新太古代变质岩露头分布五台岩群2.55Ga以前;太华岩群、登封岩群和嵩阳岩群2.84-2.4Ga；山东泰山岩群>2.5Ga;安徽北部五河群2.65Ga,;安徽西部霍邱岩群2.7Ga;中条山绛县岩群、涑水岩群2.48Ga……….大陆地壳的类型-2造山带往往环绕着古老的大陆核心－地盾、地台，由古生代和中、新生代不同变质相的褶皱岩系组成，故常称褶皱山带。在地形上往往是线性展布的山脉。它们可以是古板块的大陆边缘增生带，如科迪勒拉造山带；也可以是两个大陆板块之间的碰撞带，如阿尔卑斯－喜马拉雅造山带。新生代以来的造山带往往是高耸的山脉和地震、火山的频发带。TheTethyanandAlps-Tibetbelt复杂的变形构造组合：褶皱-逆冲断层组合以及伸展大陆地壳的类型-3---大陆裂谷代表裂谷发育的早期阶段/正断层/地堑、半地堑/幔隆/断陷/岩石圈伸展巨厚陆源碎屑堆积/双峰式火山岩高热/浅源地震大陆裂谷概念提出：J.W.Gregory(1894),东非裂谷概念：岩石圈板块背离运动/地幔隆起/地壳断陷大陆裂谷陆间裂谷关于东非裂谷的形成机制三叉形伸展三叉裂谷初始大洋裂谷分类：按裂谷发育的区域构造部位及其地质构造特征，可将其分大洋裂谷、大陆裂谷和陆间裂谷。大陆裂谷—东非裂谷；陆间裂谷—红海裂谷；大洋裂谷—大西洋中脊；裂谷演化

大陆裂谷→陆间裂谷→大洋裂谷是一演化系列，就是大陆开裂、漂移、海底扩张的过程。五）陆壳和洋壳的差异三、中国地壳与岩石圈特征一）中国岩石圈研究现状二）中国地壳的基本特征三）中国岩石圈的主要特点一）中国岩石圈研究现状100年来，特别是新中国成立60余年来，我国开展了大规模的地质、地球物理、地球化学、遥感地质等调查研究，为地质找矿奠定了牢固基础。

总体特点：中国位于欧亚板块、印度-澳大利亚板块和太平洋板块的交汇地带，具有复杂的岩石圈结构和许多独特的地质现象。中国区域航磁程度图共完成1145万km2，其中：1:100万-1:50万比例尺航磁855万km2；1:25万-1:20万比例尺航磁304万km2。陆域已基本全覆盖（935万km2）；海域大部分完成。1.西昆仑-塔里木-天山,1200km;2.天山-准噶尔-阿尔泰,900km;3.亚东-格尔木,1400km;4.格尔木-额济纳旗,900km;5.湖北隋州-内蒙古科尔沁旗,

1200km;6.广州-巴拉望,1800km;7.内蒙古满洲里-黑龙江绥芬河,1300km;8.内蒙古乌珠穆沁旗-辽东东沟,960km;9.江苏响水-内蒙古满都拉,1200km;10.上海奉贤-内蒙古阿拉善左旗,1700km;11.青海门源-福建宁德,2200km;12.安徽灵壁-上海奉贤(HQ13),470km;13.阿尔泰-四川黑水-福建泉州,5000km;14.云南遮放-马龙；745km.——14条地学断面中国地学断面(GGT)分布图中国岩石圈研究现状——中国大陆地壳总体特征中国地壳平均厚度47.6km，大大超过全球平均厚度；平均速度6.37km/s,又低于全球平均速度6.45km/s。

中国地壳厚度总的变化趋势是：西厚东薄,南厚北薄（李廷栋，2013）一）中国地壳的基本特征（1）中国及邻区地壳厚度分布图(朱介寿等,2006)Sun，2003，滕吉文等，2002——地壳厚度的不均一性地壳厚度东西差异很大青藏高原平均厚度60-65km;东部沿海地区30-35km，深度差约30km。唐古拉山中段地壳最厚可达80km;南中国海中央海盆地壳厚度平均只有5km，厚度差达65km。地壳厚度上的差异反映了中国地形及岩石圈结构构造的复杂性。一）中国地壳的基本特征（2）中国及邻区地壳厚度分布图(朱介寿等,2006)——地壳构造格架的不均一性

大致以105°E为界，莫霍面起伏基本上与地表地形呈镜像关系。西部：地壳等厚线呈EW向展布，青藏高原形成一个EW向巨型“地幔盆地”，莫霍面深度从边缘地区44km到腹地的72-74km。东部：地壳厚度等值线呈SN-NNE向展布，大兴安岭—太行山—雪峰山为地壳厚度梯度带，向西形成一个“地幔斜坡”，莫霍面深度从38km下降到44km，松辽平原，华北平原以及日本海、东海、南海都形成“地幔隆起”。一）中国地壳的基本特征（3）青藏高原及邻区莫霍面深度青藏高原形成一个EW向巨型“地幔盆地”，莫霍面深度从边缘地区44km到腹地的72-74km；西北地区呈现“幔隆”、“幔洼”相间格局。Moho界面探测（滕吉文等，2002）准噶尔Moho面深42km上升4-8km塔里木42-445-10柴达木524-8km四川40-42与西侧比薄2-4鄂尔多斯40-42与西侧比薄2-4松辽30-32与西侧比薄4-6环渤海28-30与西侧比薄4-6东南沿海10-20与西侧比薄4-6南海-北部湾10-16与西侧比薄4-8中国主要构造单元平均地壳结构沉积盆地Moho特点：盆地Moho面上隆2-10km，地壳厚度比周边薄一）中国地壳的基本特征（4）中国地壳酸度总的变化趋势：东高西低，南高北低。西部SiO2=64.32%；东部SiO2=65.12%就东部看，东北最低（SiO2=63.18%），华北中等（SiO2=64.88%），华南最高（SiO2=65.98%）。这种地壳酸度上的差异，同这些地区岩石组合、花岗岩类型等的差异是相匹配的。——地壳物质组成上的不均一性中国大陆地壳酸度分布图

上地壳、中地壳下地壳上部、下地壳下部东部的地壳结构(四层)（袁学诚，1996;高山等，1999）

上地壳厚度为14km，其地震纵波速度为6.0km/s左右,SiO2的平均含量为65%,代表性岩石为沉积岩、花岗岩和低级变质岩，其成分与全球上地壳化学成分比较一致（Condie，1993），为构造变形较强的部位；中地壳深度为14～24km，纵波速度为6.4～6.6km/s,低于全球的平均值,在我国华北地区深度为20km附近，普遍存在低速高导层。SiO2的平均含量为62%，代表性岩石为90%的TTG花岗片麻岩以及10%的斜长角闪岩。说明中国东部中地壳演化程度更高，也即构造活动性较强，在许多地区是构造滑脱面

东部的地壳结构(四层)（袁学诚，1996;高山等，1999）

下地壳上部深度为24～32km，其地震纵波速度为6.8km/s左右,以华北克拉通麻粒岩相为代表,SiO2的平均含量为57～66%；下地壳下部深度为32～37km，其地震纵波速度为7.0～7.1km/s左右,(莫霍面之下,其地震纵波速度跃升为8.1km/s),SiO2的平均含量为50%,代表性岩石为铁镁质麻粒岩。

下地壳与国际上普遍认为的镁铁质下地壳（SiO2

50%）模型不同，而与欧洲的双层下地壳模型（上部为长英质，下部为镁铁质）相近华北地壳华北地壳二）中国岩石圈的主要特点（1）中国及邻3个不同厚度的岩石圈区：

(1)中亚-青藏岩石圈加厚区；呈向东歼灭（宜昌）的三角形，东北线以阿尔泰-祁连山-大巴山为界；东南缘以宜昌-昆明-达卡一线为界。岩石圈厚度170-200km。

(2)中蒙岩石圈减薄区（上地幔隆起）：呈向西歼灭，向大兴安岭-太行山撒开的三角形。北界为斋桑湖-贝加尔湖-鄂霍次克海一线，岩石圈厚度170-85km。

——中国及邻区岩石圈厚度分区

(3)滨太平洋岩石圈减薄区：西以大兴安岭-太行山及郑州-南京-武夷山为界，在日本海-东海及南海形成两个岩石圈极薄区（上地幔穹隆），岩石圈厚度50-85km二）中国岩石圈的主要特点（2）——中国岩石圈厚度的不均一性

中国大陆岩石圈平均速度6.28km/s，比全球6.46km/s低0.17km/s，可能说明中国大陆柔性强、温度高。

岩石圈厚度变化大(50-200km），西厚东薄，南厚北薄，克拉通地块厚，造山带及裂谷区薄。(1)塔里木、帕米尔、昌都地区形成3个岩石柱：180-200km(2)青藏高原、西北地区：140-180km，平均165km(3)东部滨太平洋带及陆架区：50-80km二）中国岩石圈的主要特点(3)6个深度-速度切片反映出：(1)以大兴安岭-太行山-雪峰山为界，40km以浅西部为低速区，东部为高速区；到130km深度，西部为高速区，东部为低速区，并形成一巨型低速区。(2)在85km-250km，北部蒙古高原-鄂霍次克海东西向、东亚滨太平洋带及西太平洋为低速区，伊豆-马里亚纳海沟到菲律宾海沟为一近南北间高速区。(3)到400km深度，除西伯利亚南缘及秦岭-昆仑山两条近东西向低速带和西太平洋一条南北向较低速带外，全区变为高速或较高速区。东亚及西太平洋边缘海岩石圈、软流圈S波速度层析成像(据朱介寿等，2002；Yanovskaya等，2003)二）中国岩石圈的主要特点（4）根据岩石圈动力学性质，把中国大陆及毗邻海域岩石圈划分为5种类型：克拉通型、造山带型、裂谷型、边缘海洋壳型、岛弧型。

——中国岩石圈类型（邱瑞熙等，2006）（1）二）中国岩石圈的主要特点(5)——中国岩石圈类型（2）各类型岩石圈岩石组成及特点岩石圈类型代表性地区地壳岩石组成岩石圈地幔岩石组成主要特点克拉通型塔里木，扬子，中朝等地台TTG岩套为主强亏损方辉橄榄岩为主岩石主体于18亿年前形成造山带型走廊北山，燕山-太行山，喜马拉雅山，天山等花岗岩-花岗闪长质岩石方辉橄榄岩-二辉橄榄岩或二辉橄榄岩-方辉橄榄岩分古生代、中生代、新生代3个时代；厚度幔过渡带裂谷型华北盆地，松辽盆地，闽粤沿海花岗质岩新生代地幔上涌地壳“基性化”二辉橄榄岩、辉石岩陆壳