地球地壳组分

地球地壳组分作者：卡卡西关于我主要内容地表高程与地球的地壳类型大洋地壳大陆地壳陆壳演化与深时地球ImagefromUSGS地球内部的圈层结构与地壳地壳是类地行星最外层的固体圈层地球地壳的厚度一般在几千米至几十千米地壳的质量占地球的～0.5%Imagecredit:GeographicStock/GettyImages地表高程分布与地球的两类地壳（陆壳与洋壳）AlfredWegener,1880-1930“Inthewholeofgeophysicsthereishardlyanotherlawofsuchclarityandreliabilityasthis—thattherearetwopreferentiallevelsfortheworld’ssurfacewhichoccurinalternationsidebyside,andarerepresentedbythecontinentsandoceanfloors,respectively.”地球的两类地壳7Lorenzetal.,2011固体星球表面的高程分布陆壳与洋壳陆壳纵向上，从地表到莫霍面（P波波速从7

km/s快速增加到8

km/s），在有些区域，莫霍面不是截然的。横向边界在大陆架的边缘。洋壳纵向上，从地表到5-10km下的莫霍面。横向上，陆壳之外的地方。Imagecredit:McGraw-HillEducation9陆壳占地表面积约40%，但是大陆地壳有约31%的地方在海平面以下。洋壳占剩下的～60%的面积。1.

大洋地壳海洋探索与洋壳19世纪以前，人类对海底几乎一无所知，认为海底很平，没有什么特征。19世纪，随着海洋测深工作的开展，海底地貌形态逐渐显现。20世纪，海洋调查工作大规模开展，新的设备如声呐、钻探船等将人类对海底的认识推到了全新的高度，包括海底磁条带被发现，海底扩张理论提出，最终的板块构造理论建立。第一艘深海钻探科考船：TheGlomarChallenger,设计于1960年代末。ImagefromUSGS.11洋壳的垂向结构沉积物枕状玄武岩层状岩墙（玄武岩）辉长岩地幔橄榄岩洋壳Imagefromwiki洋中脊是洋壳形成的地方，大部分位于海平面以下。大西洋洋中脊在冰岛露出海平面。裂谷两侧为北美板块和欧亚板块。枕状玄武岩，典型的水下喷发特征洋壳的岩石、矿物、化学组成洋壳主要由玄武岩（上层）与辉长岩（下层）组成。两种岩石在化学上没有区别，辉长岩的结晶度更好。主要组成矿物：辉石、长石、橄榄石。玄武岩辉长岩wt.%SiO2Al2O3FeOTMgOCaONa2OK2OP2O5洋壳50.115.78.310.311.82.210.110.1洋壳的成因—地幔减压熔融在洋中脊，热的软流圈物质上涌，在60-100

km，开始发生部分熔融，最终的熔融程度20-40%（扩张速率越快，熔融程度越高）。dG/dP=V，恒温下，减压驱使反应向密度低、摩尔体积大的方向进行。陆壳与洋壳洋壳的研究只有几十年，如今我们对洋壳的成分、结构和成因有了比较完整的认识；人类在陆壳上生活至今，陆壳的成因、深部的成分和结构、演化历史等都没能获得一致的认识…162.

大陆地壳陆壳的垂向结构上地壳中地壳下地壳~40

km~12

km厚P波波速<5.7—6.4

km/s沉积岩、花岗质岩石、少量镁铁质和其他种类岩石~11

km厚P波波速6.4—7.1

km/s中酸性到基性，角闪岩相~17

km厚P波波速7.1—7.6

km/s偏基性，堆晶，麻粒岩相RudnickandFountain,1995,RoG18大陆上地壳—我们了解最多的部分主要岩石组成：主要是花岗岩类，少量各类沉积岩、玄武岩等。19黄山江门中微子实验室藏在一个花岗岩岩体中获得上地壳成分的方法一F.W.Clarke,1847-1931大面积网格采样算平均。Clarke率先开展相关工作，给出第一个大陆上地壳成分表。20巨大的工作量（野外和实验室分析）是研究上地壳主量元素组成唯一的方法。21获得上地壳成分的方法一上地壳主量元素成分RudnickandGao(2014)F.W.Clarke上地壳的成分是长英质的（长石、石英为主要矿物）。一百多年，我们对上地壳成分的估计，差别并不大…RobertaRudnickShanGao22方法二：巧借大自然之力ShalesfromthenorthernNorway.Photocredit:碎屑沉积岩记录大陆上地壳的平均成分。20世纪七八十年代，TaylorandMcLennan等人提出用页岩获得大陆上地壳不活动元素的平均成分。23页岩LoessfromMississippi,USA.PhotofromWikipediaEarlyProterozoicdiamictitesfromtheBruceformation,Canada.Photocredit:RichGaschnig冰碛岩、黄土制约上地壳平均成分25上地壳的REE组成RudnickandGao,2014,ToG26碎屑沉积岩只能用于不活动元素（不易溶），大陆上地壳的稀土组成是碎屑沉积岩应用的成功案例。地震波速对深部陆壳成分的制约实验室测得的不同成分岩石的VpHuangetal.,2013,Gcubed上地壳Vp:<5.7—6.4

km/s;中地壳Vp:

6.4—7.1

km/s；下地壳Vp:

7.1—7.6

km/s.地震波速数据显示陆壳的成分随深度增加逐渐偏向镁铁质。27深部地壳（中地壳、下地壳）深部地壳会被构造、岩浆活动带到地表，为我们提供研究深部地壳的机会。中地壳：角闪岩；下地壳：麻粒岩、榴辉岩等。深部地壳的成分有不少争议，大部分研究认为中下地壳偏基性（如RudnickandGao,2014），也有一些学者认为下地壳也是中酸性的（如Hackeretal.,2011）。地震数据似乎更支持深部地壳偏基性。28麻粒岩角闪岩深部地壳（中地壳、下地壳）Hackeretal.[2011]29RudnickandGao,2003Hackeretal.,2011下地壳组成大部分类地行星的地壳是镁铁质的，镁铁质地壳是相对原始的地壳。但是条件合适，镁铁质岩浆可以发生大量的化学分异，形成长英质地壳。一种经典的分异方式是分离结晶—岩浆逐渐冷却的过程伴随着矿物结晶，由于大部分矿物比熔体密度高，矿物与熔体发生重力分离。矿物的成分往往和熔体不一样，持续的分离结晶导致熔体向高SiO2和低MgO、FeO、CaO的方向演化。Imagecredit:M.Keskin,2013,Wikipedia岩浆的化学分异长英质陆壳是岩浆高度分异的产物。陆壳的成因有争议，目前主流观点认为陆壳形成于俯冲带。富水的弧岩浆，结合更厚的地壳，经历了更大程度的分异作用，形成大量长英质岩浆（高SiO2，低MgO、FeO、CaO）。由这些岩浆冷凝形成的安山岩、花岗岩等是大陆地壳重要的岩石类型。ImagefromTang,2020陆壳的成因陆壳洋壳厚度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龄平均~20亿年，最老40亿年平均~6千万年，最老2亿年密度~2.8

g/cm3~3.0

g/cm3成分含有大量安山岩和花岗岩，平均成分接近闪长岩（SiO2=61wt.%)由玄武岩和辉长岩组成（SiO2=50wt.%)陆壳与洋壳的对比大陆地壳是一种高度分异的行星地壳，为地球独有，其他类地行星的地壳成分和地球的洋壳比较接近，都是分异程度较低的地壳。为什么只有地球有大面积的长英质的地壳呢？TablefromTang,2020地球独一无二的大陆地壳3.陆壳演化与深时地球34板块构造本身不停地重塑地表，抹去地球的历史记录。老于6亿年的出露岩石少于50%；老于30亿年的出露岩石少于5%；老于40亿年的岩石记录完全缺失。MapfromBedardetal.,2013保存问题35大陆的生长Hawkesworthetal.,2017,AREPS36长英质的陆壳什么时候出现的？37在岩浆演化分异过程中，Ni/Co、Cr/Zn和MgO含量有很好的相关性，且这四个元素在地表相对难溶，沉积岩中的比值能够反映沉积岩源区的特征。Tangetal.,2016,Science用难溶微量元素反演地壳的化学分异程度38页岩(photocredit:)冰川成因的混杂岩(GogandaFormation)陆源碎屑沉积岩39太古宙的样品比后太古宙的样品有显著偏高的Ni/Co、Cr/Zn比值，暗示太古宙的上地壳更镁铁质。Tangetal.,2016,Science不同时代页岩和混杂岩中的Ni/Co、Cr/Zn比值40Tangetal.,2016,Science陆源碎屑沉积岩中的Ni/Co、Cr/Zn在太古宙晚期逐渐降低41Tangetal.,2016,Science上地壳在3.0-2.5Ga间由镁铁质转变成硅铝质，暗示板块构造的全面启动42长英质地壳大量出现时间的各种观点长英质陆壳与板块构造其他类地行星没有板块构造，也没有长英质陆壳。至少从显生宙的记录来看，长英质陆壳的形成和板块构造是密切相关的。板块构造提供了岩浆高度演化需要的水，提供了造山的环境（钙碱性分异问题）。板块构造的启动和长英质陆壳的出现可能是同步的。板块构造的启动时间，有非常大的争议，不同的记录、研究手段给出了很不一样的结果。44总结大洋地壳

较薄（5-7km），低分异，镁铁质，年轻（<2亿年），形成于洋中脊大陆地壳

较厚（10-80

km），高分异，长英质，古老（最老岩石