日报标题:课本上说一句硅铝层只在大陆地壳,真解释起来可不容易
这个问题的实质就是比较大陆地壳和大洋地壳的成分区别,从化学成分(地球化学)的角度来考虑两者的形成过程,对吧。确实是很大的题目,只能浅谈。回答中的名词不懂的可以搜到。
1.审题和介绍
硅铝层,Sial,是指地壳 Conrad 面以上的的主要由沉积岩与花岗岩等中酸性岩石(酸性岩的硅、铝含量高,一般的“硅铝质”岩石就是指这些酸性岩)组成的部分,化学上 O、Si、Al 为主,也含有较高 Na、K,被认为在大洋中不发育;硅镁层,Sima,指 Conrad 面以下的地壳,成分偏镁铁质;两者的命名源于硅、铝、镁元素英文名称的前两个字母,是以前的地质学家对地壳物质主要成分的高度概括和对结构的简单划分,在百度和维基还是可以看到的。现在这两个称谓在学界已经过时,因为不论是地球化学还是地球物理的证据都表明地壳的成分和结构有高度的不均一性,是很复杂的。也就是说不能把地壳、地球内部的结构想象成许多理想的均质球壳套在一起。只不过我们向别人介绍时这些顺序是没错的,因此本题目可以认为不是伪命题。
2.前人工作 review
我按网页答案从上到下的顺序和各位交流一下吧~
@summer ice 大人提到了蛇绿岩和大洋地壳的结构,并告诉了我们大洋地壳中是可以有酸性岩的。没错,比如大洋中的一些斜长花岗岩,并且她的上排右图已经表达了洋壳结构的复杂性,但是我们会发现不同岩性出现的顺序还是问题不大的。蛇绿岩 Ophiolite,我就不多再讨论了,题主应该也有一定知识背景。不过必须指出蛇绿岩的传统概念基本都是有问题的,外国专家们误以为看到的几个经典剖面就是大洋岩石圈切开的应有的样子,然而许多研究区与之相悖,以西藏的为例,雅江蛇绿岩并不发育堆晶岩和席状辉绿岩墙群(图片来源是这里,点大看):
雅鲁藏布蛇绿岩——事实与臆想 -Yarlung Zangbo ophiolite:A critical updated view
其实西藏的蛇绿岩在 1939 年就有人提出来了:Central himalaya geological observations of the Swiss expeditions 1936,希望大家能感受到研究、探索与争辩以及确立共识之艰难。@summer ice 还提到了现代洋壳年龄的问题(它取决于板块的大小和运动速度,进一步取决于岩石圈、软流圈的热状态和成分),认为这个时间尺度内不足以使洋壳产生高度分异的复杂结构或成分,这在一定程度上可以解释大洋地壳相对简单的结构。
另外一位答主(@鲸鱼)也比较切要地从两种地壳的成因上解释了两者的区别,即形成大洋地壳的岩浆简单地来自地幔,而形成最初大陆地壳的岩浆来自大洋地壳继续的分异,两者存在本质区别。这个答案涉及大陆地壳成因,暂时还是有争议的,不过题主大体按此理解是可以的。
一贯正确也提到了密度差这个重点,并打比方解释了大陆地壳聚散的原因,我也认同这种现象的规律性与周期性,但是当地球完全冷却之时这种“风”可能就停了。我比较相信板块运动是热力学状态演化与地球初始形成时的动力学状态共同作用的结果。
关于迅捷斥候的答案,其实没怎么看懂;不建议对岩浆岩采用两分法,因为这又涉及两个端元是如何形成的。玄武岩和花岗岩并非一开始就存在,尤其是花岗岩,可以参考其他类地行星。这个答案的重点是在现代板块构造的俯冲带的一些岩浆活动,图片展示了一些构造单元。
总而言之,题主可以先明确:大陆地壳与大洋地壳成因不同,因而成分不同;硅镁层比硅铝层重,后者可以逐渐地浮到前者之上,大陆的海拔高于海底;大洋地壳结构并不简单地可用蛇绿岩来描述,蛇绿岩本身就存在多样性,而大陆地壳的结构比大洋地壳更加复杂,由年代跨度极大的(40 亿年至今)不同物质成分组成,洋壳的存在时间有限,一般不会超过 2 亿年;大陆地壳的成因仍存在争议。
3.部分文献中对问题的相关看法
引用一些较新文章里面的观点来说明吧。
又厚又轻的大陆地壳主要形成于太古宙,约 30-25 亿年以前(Dhuime et al., 2015;Lee et al., 2016;刘树文等,2015)。大陆地壳整体成分是安山质的,所以你可以理解为硅铝层和硅镁层的综合,也就是上下地壳的差异。(冥古宙到太古宙的)早期大陆地壳主要由花岗质片麻岩区和绿岩带构造单元组成。当时的地球更热,地温梯度更高,有广泛的火山和岩浆活动。地球动力学体制研究表明,冥古宙到古太古代以地幔柱构造体制占主导地位:30 亿年以前,地幔柱活动和地幔对流使岩石圈不断加厚(你可以理解为表明冷却固结的岩石圈受到来自下方的不断补充)。初始的地壳,或者说地球表面某些位置(不见得是全球性同期产生的)的一层玄武质岩石,在地幔对流向地球深处运动的沉降部位,被地幔拖曳,使其逆冲堆叠并不断增厚。在其深部发生麻粒岩相 - 榴辉岩相变质、部分熔融形成初始的大陆地壳花岗质岩石,也就是题主所说的“硅铝层”物质,并孕育了早期高温状态的板块热俯冲。现代板片俯冲构造体制此后逐渐成为重要的主导体制。
同时,现有证据和模拟研究也表明(Gazel et al., 2015),俯冲带洋壳熔融是可以形成新生地壳的。我们可以认为,在俯冲带发生部分熔融作用形成硅铝质酸性岩浆,就是大陆地壳硅铝层的起源,尽管有大牛不太认同(Rudnick et al., 1995)。而洋壳起初本身是没有硅铝层的,除非洋壳岩石进一步演化产生这种成分。
4.再审视问题
为什么大洋地壳没有硅铝层,大陆地壳有?问题本身可以简单回答的:两者完全是地球不同演化阶段才出现的产物,形成之时,陆壳就是具有上部硅铝质成分为主的特征,而洋壳就是以玄武岩为主的镁铁质岩层。两者若要直接关联起来,中间可能确实要加一步变质作用。
多写了一点,希望引出不同的观点来指教。
提到的一些文献:
Dhuime B, Wuestefeld A, Hawkesworth C J. Emergence of modern continental crust about 3 billion years ago[J]. Nature Geoscience, 2015, 8(7):552-555.
Gazel E, Hayes J L, Hoernle K, et al. Continental crust generated in oceanic arcs[J]. Nature Geoscience, 2015, 8(4):321-327.
Lee C T A, Yeung L Y, Mckenzie N R, et al. Two-step rise of atmospheric oxygen linked to the growth of continents[J]. Nature Geoscience, 2016.
Rudnick R L. Making continental crust[J]. Nature, 1995, 378(6557):571-578.
刘树文, 王伟, 白翔,等. 前寒武纪地球动力学(Ⅶ):早期大陆地壳的形成与演化[J]. 地学前缘, 2015, 22(6):97-108.