太阳系固体星球都有类似的核 - 幔 - 壳结构,
但唯独地球具有长英质(花岗岩质)岩石组成的大陆壳。
地球是唯一既具有板块构造又具有长英质大陆的星球(虽然近些年行星地质研究中发现有些星球存在疑似板块构造的痕迹,但是尚无确切证据证实),
因此,势必会把地球上的板块构造和长英质大陆二者之间联系起来。
可以确定的是,地球诞生之初和许多类地行星区别不大——既没有长英质岩石也没有板块构造,即板块构造和长英质大陆是在地壳形成和演化到一定阶段才出现的。
因此,核心问题是:
(1) 板块构造和长英质大陆,哪个先在地球上出现?
(2) 长英质大陆的成因机制。
针对第一个问题,主要有两种观点:
(1)先有板块构造
板块构造可能开始于冥古宙或是始太古代,板块构造的俯冲 - 岛弧成因机制形成了长英质陆壳。
(2)先有长英质陆壳
支持大陆起源于非板块构造的学者们认为:长英质大陆在板块构造启动之前就已经形成。成因可能是:如地幔柱、重力差异沉降、加厚地壳拆沉作用的产物。而板块构造的启动可能是因为密度较轻的长英质大陆的存在,诱发密度较大的大洋岩石圈向密度较小的大陆岩石圈下面俯冲。
但是,无论那种观点都是试图揭示长英质岩石形成的大地构造背景和机制,
对于长英质岩石形成的岩石学机理的争议不大,学界看法较为一致:
以 TTG 为主要成分的长英质古老大陆,起源于铁镁质地壳的部分熔融,也就是第二个问题。
(PS:TTG 是古老长英质大陆地壳在现今地球上保存的主要岩石单元,包括英云闪长岩、奥长花岗岩和花岗闪长岩,取三者英文单词首字母,简称为 TTG)
需要说明的是,以下任何观点都是现今学术界的几种主流观点之一,板块成因、起源、时间和大陆地壳的起源、前板块构造的地球动力系统等的科学问题,都是学界尚未攻克的极其前沿和重大的难题。本人对不同观点的理解和认识有限或者片面,但是不带有主观倾向性。
1. 物质基础:为何地球洋壳和类地行星地壳多为玄武岩?
我们已知长英质古老大陆,起源于铁镁质地壳的部分熔融,因此铁镁质岩石是长英质岩石诞生的物质基础,而这个物质基础,主要的类地行星都具备——玄武质(铁镁质)的地壳。
早期的地球和类地行星的地壳主要由玄武质岩石组成,表面原因是这些行星是一奶同胞,都是约 46 亿年前,生于太阳系这个共同的胚胎。
科学家在有关类地行星增生机制和过程方面已取得共识:
认为地球和其他三个类地行星(水星、金星、火星)在太阳系形成之后最初的 50Ma(4470-4520 Ma)里经历了相同的增生过程,最初都是由直径只有几公里的星子块体相互碰撞、拼合逐渐增大而形成直径几千公里的行星胚胎。行星胚胎之间的碰撞拼合及不断再与更多的星子碰撞拼合最终形成相当规模的原类地行星。
原类地行星在增生阶段的晚期可能发生初始的核 - 幔分异。对地球来说,其增生阶段的结束是以原地球与另一个火星大小的星球(Theia)发生碰撞导致月球的形成为标志。这次大冲击事件一般认为发生在 45.2 亿年左右,它可能导致原地球大规模熔融并部分地和与之碰撞的星球发生某些物质重组,形成当今地球和月球的总体组成。因此,当今地球的物质组成与原地球的物质组成应有很大差别。
地球上最早的铁镁质地壳可能由 44.5 亿年地球表面岩浆海固结而成。岩浆海在地球表面冷却固结形成一个初始壳,称为原地壳,其组成应以镁铁质硅酸岩为主,类似于现今金星和火星的最外层镁铁质壳层。地球上的镁铁质原地壳是冥古宙原陆壳起源的物质基础。在初始大洋形成之后和长英质大陆壳出现之前,这个原始铁镁质地壳应该以大洋壳形式存在。而长英质大陆壳就是在这个初始大洋壳基础上发展起来的。
上述回答了为什么早期地球和类地行星地壳主要有玄武质岩石组成。
2. 玄武质地壳部分熔融转变成太古宙 TTG 长英质大陆地壳必须满足的条件
理论上,地幔楔熔融可以形成铁镁质陆壳,铁镁质陆壳再次熔融即可形成长英质大陆。但是通过玄武质地壳部分熔融,想转变成现今地球可见的太古宙 TTG 长英质大陆地壳,还必须满足以下三个条件:
(1) 必须有至少 3 倍于 TTG 体量的玄武质原岩(如大火成岩省)的存在,这是实验岩石学研究的结果:每份 TTG 岩石需要三份的玄武质原岩的存在。
(2) 必须有足够厚的玄武质地壳的存在,以保证产生 TTG 的玄武质岩石的部分熔融发生在石榴子石的稳定域。现今发现的太古宙 TTG 岩石,有许多高压成因。岩石地球化学研究认为玄武质岩石的部分熔融形成太古宙 TTG 应该发生在相对高压的条件下,即在加厚的地壳环境下发生。(PS:当然也有学者持不同观点,认为无需加厚地壳)。
(3) TTG 的源区玄武质岩石曾经历过水化作用,即玄武质岩石部分熔融体系里,必须含有一定量的水,在干的环境中玄武质岩石的部分熔融很难进行。
此外,我们问的是几十亿年前长英质大陆的起源, 目光就放在古老的长英质大陆物质—TTG,以及和 TTG 伴生的同时代的其他岩石和构造。只有能够合理解释早期大陆地壳及同时期的地质事件,才能承认相关理论对于大陆起源的决定性作用。
3.板块构造理论解释大陆起源的优势
现代板块构造理论能够很好地解释大洋壳和显生宙以来大陆壳的形成机制和过程,具有以下优势:
(1)大洋地壳成因:大洋壳是由上地幔熔浆沿大洋中脊上涌固结而成,并通过海底扩展向洋中脊两侧运移,经过深海洋盆,最后在海沟处向大陆壳下面俯冲并消亡于地幔之中。
(2)长英质大陆地壳成因:大洋俯冲板片脱水会导致上覆地幔楔熔融形成铁镁质陆壳,铁镁质陆壳再次熔融即可形成长英质大陆。
(3)俯冲作用可以为铁镁质岩石熔融提供重要的介质:水,而低钾铁镁质(拉斑玄武质)岩石的部分熔融形成太古宙 TTG 必须要在含水的环境下发生,在干的环境中玄武质岩石的部分熔融很难进行。
(4)现今俯冲带成因的埃达克岩与太古宙高压型 TTG 非常相似。现今发现的太古宙 TTG 岩石,既有高压成因,又有低压成因,只有俯冲带体制下的岛弧模式可以完美解释。
(5)尽管太古宙克拉通地体中缺少高压和超高压岩石,但中 - 高压变质岩,尤其是含夕线石的泥质片麻岩或泥质麻粒岩在太古宙地体中非常普遍,其变质压力一般达到 7-8kb。由于这些泥质变质岩的原岩是地表环境下形成的,如没有板块构造体制下的俯冲作用,很难解释这些地表岩石是如何进入 20 公里之下的地壳深处经历高级变质作用。
4.板块构造理论解释大陆起源的难题
通过上述可知,现代板块构造理论在解释 TTG 成因方面有很多优势,但是对很多太古宙地质问题的解释更多的是困难和挑战。
因为通过现今对古老大陆的岩石、构造、地球化学和年代学的研究,发现板块构造理论下的岛弧模式目前无法解释以下问题:
(1) 各太古宙克拉通陆块内的 TTG 深成岩套,有短时间、巨量的特点。这些巨量的长英质深成岩不存在时间上的系统性变化,而似乎是在短时间内几乎同时、大量侵入的,用岛弧加拼贴的模式很难解释;
(2) 太古宙克拉通的岩石组成主要为 TTG 加绿岩带,而后者普遍存在超高温(>1600℃)科马提岩,其形成环境难以用岛弧环境解释。
(3) 太古宙绿岩地体主体是由基性的玄武岩和酸性的英安岩 - 流纹岩所构成的双峰式火山岩组合,缺少现代岩浆弧的典型火山岩组合 - 安山岩组合,这也与板块构造理论相悖。
(4) 格陵兰、巴伯顿、皮尔巴拉等古老克拉通始太古代和早太古代岩石全岩 Nd 同位素和锆石 Hf 和 O 同位素研究结果;加拿大 Acasta 约 40 亿年 TTG 片麻岩和西澳大利亚州杰克山(Jack Hills)约 44 亿年锆石的研究结果显示,地球在冥古宙阶段就已经形成一定规模的初始陆壳(原陆壳)。这些以长英质组成为特征的初始陆壳是在地球经历其初期增生、随后的核 - 幔分异和岩浆海阶段所形成的镁铁质初始地壳基础上形成的,它们的成因很难用建立在中 - 新生代洋壳研究基础上的板块构造理论来解释。
(5) 地球化学特征上,许多研究表明,岛弧平均地壳地球化学成分决定它不可能再产生出像太古宙克拉通那样富 Si,Ni,Cr 和高 La/Y 比值的大陆地壳。尽管现代岛弧可以通过俯冲板片的部分熔融产生埃达克质岩浆具备上述特征,但是其规模是远远无法与 TTG 比较的。
(6) 构造样式差异,太古宙以 TTG- 绿岩带构成的穹 - 脊构造为主,即 TTG 多为以穹窿为代表的垂向构造,而缺少现今板块构造理论中以逆冲推覆构造等为代表的水平构造运动样式。(PS:最近的研究似乎找到了水平构造运动的证据,看来还需要进一步深入广泛的研究)
(7) 在变质作用特征方面,绝大多数太古宙克拉通地体以具有等压冷却逆时针 P-T 轨迹演化为特征,缺少反映俯冲和陆 - 陆碰撞环境的等温减压顺时针 P-T 轨迹演化。
(8) 现今保留的太古代克拉通缺少板块构造的一些标志性地质证据:如双变质带、榴辉岩、蛇绿岩等。
综上可见,现代板块构造理论解释长英质大陆地壳的成因,既有很多无法替代的优势,也存在非常多难以解决的问题和挑战。
将今论古是地质学的钥匙,虽然在很多情况下,古今无法直接对比研究,但是可以提供一些思路。
我们已知长英质大陆壳就是在地球早期初始大洋壳基础上发展起来的。现代的大洋环境包括大洋盆地、洋中脊、岛弧和洋底高原(大洋岛)。
大洋盆地和洋中脊地壳厚度只有 5-10km,理论上不可能成为长英质大陆壳起源的场所。
岛弧是板块构造理论的主阵地;
因此,除了板块构造理论之外,许多学者将目光投向洋底高原,逐渐发展出另一种大陆地壳产生的主流理论——古老长英质大陆起源于地幔柱洋底高原模式。
5. 地幔柱理论解释大陆起源的优势
地幔柱理论认为,地幔柱起源于地核与地幔边界,
地球深部核 - 幔边界附近的高温低粘度层(D”层)熔融,产生呈柱状上升的巨量地幔熔浆。
地幔柱通常是由一个细长的尾柱和一个巨大的头部组成。
当地幔柱球状头部抵达相对冷的岩石圈底部,就会开始摊平呈蘑菇头状,并因减压而大规模熔融形成玄武岩浆。
这些岩浆可能会于短时间内大量喷发至地表(短于一百万年),于大陆地表喷发就形成大陆溢流玄武岩(如二叠纪的峨眉山玄武岩),于洋底喷发则形成直径长达 1000-2000km 的玄武质洋底高原或洋岛海山(如夏威夷岛链)。
许多学者认为洋底高原的形成与演化能够很好地解释太古宙克拉通以绿岩为代表的火山岩和以 TTG 为代表的长英质侵入岩的成因(例如国内以赵国春院士为代表)。
地幔柱成因的巨厚玄武质洋底高原熔融可以形成长英质岩石,这是一切的前提。
同样,该模式也具有许多优势和劣势。
具备的优势如下:
(1) 地幔柱模式解决了太古宙绿岩的母岩(基性的拉斑玄武岩和超基性的科马提岩)和大量双峰式火山岩组合等岩石成因问题。即太古宙科马提岩来源于地幔柱核部热的、低粘度物质,而构成绿岩的玄武岩来源于地幔柱冷的头部物质的部分熔融,而酸性岩是地幔柱热异常导致的地壳底部物质的部分熔融物。
(2)能够合理地解释为什么太古宙 TTG 能够在短时间内巨量产出并在形成时间上没有任何系统变化。
(3)地幔柱上升极其导致玄武质下地壳部分熔融形成TTG 岩浆的垂向底辟能更合理地解释太古宙克拉通穹 - 脊垂向构造样式的特征。
(4)地幔柱洋底高原模式能够很好地解释绝大多数太古宙高级区变质作用所呈现的近等压冷却型逆时针 P-T 演化特征。
(5)地幔柱洋底高原模式能够解释太古宙克拉通为什么缺少蓝片岩和双变质带的等典型岛弧俯冲带的标志。
以上是板块构造理论无法合理解释的。
同样地幔柱成因洋底高原模式也存在很多致命的劣势。
6. 地幔柱理论解释大陆起源的劣势
(1)五行缺水。地幔柱成因的洋底高原环境似乎无法满足玄武质岩石部分熔融体系里必须含有一定量的水,TTG 的源区玄武质岩石曾经历过水化作用,在干的环境中玄武质岩石的部分熔融很难进行。这一点是该模型最为致命的缺陷。
(2)很难满足高压 TTG 的形成。这取决于洋底高原的厚度,太古宙较高的地温梯度,以及目前对当时地壳厚度的模拟和估算,表明很难满足形成高压 TTG 的洋底高原厚度。
(3)太古宙地体中常见中 - 高压变质岩,尤其是含夕线石的泥质片麻岩或泥质麻粒,其变质压力一般达到 7-8kb。由于这些泥质变质岩的原岩是地表环境下形成的,该模式很难解释这些地表岩石是如何进入 20 公里之下的地壳深处经历高级变质作用。
(4)如何解释水平构造。虽然太古宙的构造样式以垂向构造为主,但还是有一些大型水平构造的证据。
(5)如何解释短时间、大规模、全球性,甚至还有几个主要阶段的 TTG 生成事件。(针对这一点,有学者提出洋底高原的二阶段模型)。
总结:
因此,解释太古宙 TTG 成因,即地球大陆地壳起源的最主要的模式是板块构造理论和地幔柱洋底高原理论。以目前的研究来看,二者各具独特的优势,也都存在致命的缺陷,学界专家们各执一词,谁也说服不了谁。
再往后讲就要涉及板块构造起源问题了,同样是地球科学领域正试图全力攻克的重大前沿科学问题,有机会另撰文概述其进展。
贻笑大方
以上。
声明:
地球长英质陆壳起源尚无定论,是亟待解决的前沿科学问题。讲好前沿问题,需对本领域各方面知识有广泛、深入的了解,熟稔来龙去脉,显然我不具备此能力。笔者仍处于学习阶段,对于板块构造驱动力没有实质研究,更妄谈个人观点。本文更像是一篇极为简短、粗略的读书笔记,文中所涉及到的观点和证据,多来自以下参考文献,及其所引文献。国内外大佬们的文章,都难免带有主观倾向,我只能尽力做到客观展示。感兴趣的朋友可以拓展、比较阅读。
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