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解读地球仪 第二节--初始克拉通是如何形成的?

已有 1067 次阅读 2019-4-26 15:33 |系统分类:科普集锦

上一节我们提到了地球表面大部分是稳定的克拉通。在欧亚大陆上,由于碰撞,在不同的克拉通之间还形成了交接带——造山带。可是,我们还是不知道作为地壳的凝聚核(克拉通)是如何形成的?

首先我们要明确一个原则:由于重力作用,地球上重的东西会下沉,较轻的东西向上漂浮。举个比较形象的例子就像油漂浮在水的上面一样。或者说,如果地球表面存在两种密度不同的物质,随着时间的流逝,它们就会像水和油一样慢慢分开,轻的往上浮,重的往下沉。

这一切都要从46亿年前的地球说起。那时候,地球非常热,地表是滚烫的岩浆。科学家研究发现,从天上掉下来的球形陨石,基本就是形成地球的材料。这也是为什么地质学家中有一部分对陨石情有独钟的原因。这些陨石中含有很多的铁,还有硅、氧、镁和铝等等。

地表滚烫的岩浆,像一锅粥一样。随着时间推移,岩浆中最重的铁镍成分先下沉,慢慢形成了铁镍地核。接着,地球慢慢变冷。

想一想我们熬粥时候,当粥熬好后,放在边上一会儿,就会发现,在粥的表面起一层皮。地球的岩浆稍微冷却后,在其表面也会起一层“皮”。这层“皮”的主要成分是橄榄石。橄榄石颜色偏绿,晶型完好,就是今天人们喜欢的宝石。

对了,这个过程也有点像泡茶。最近,朋友送给我了新鲜的龙井茶。我一边写文章,一边泡上一杯清香的龙井。绿色的茶叶漂浮在茶水上面,像极了橄榄岩。过了一会儿,龙龙井茶叶就慢慢沉入茶杯底部。再过一会,茶叶里的成分慢慢融入水中,时间再长,还会沉淀出茶渍。

和这个过程类似,地球上新结晶的绿色橄榄岩,密度比较大。根据我们之前阐述的原则,它不可能稳定地在地表存在,很快这层橄榄岩的“皮”就被下面的翻滚岩浆搅乱,又沉下去,逐渐地形成了地球的第二层——地幔。

在早期地球,尤其是地球刚形成的前几亿年,关于地表环境,我们还必须要考虑另外两个因素。第一个因素就是天上往下掉大陨石,不停地把地球表面砸得乱七八糟。要是我们抬头看看月亮表面那些陨石坑,就知道地球在那时候的遭遇也好不了多少。第二个因素就是月亮本身。月亮刚形成时,离地球很近,造成地球旋转速度快,潮汐作用也强。巨大的潮汐作用,也会把刚形成的一些橄榄岩表皮撕裂。

看来,要想形成稳定的陆地,此时条件还不成熟,地球还得继续降温。跟随着橄榄岩,紧追其后结晶的是辉石以及一些斜长石。于是,第二代地壳包含的不是纯橄榄石,而是橄榄石、辉石和斜长石的混合物,叫做橄榄岩(注意橄榄岩和橄榄石的区别)。当然,辉石和斜长石的密度要比橄榄岩的密度小一些。

地表这一层新的薄“皮”,其成分显然复杂了很多。有些地方密度大,有些地方密度小。这就构成了分异的基本条件。无论怎么样,这种新的表皮密度整体会小一些,在地表“存活”的时间也会长一些。可是,地球内部还是热量十足,就像锅加了盖子一样,热气出不来,时间一长,里面的温度会越来越高,于是地球上这一层新“皮”会慢慢被部分烤化。毫无疑问,因为密度不同,密度大的橄榄石会下沉,而密度小的辉石和斜长石会上升。

上升分离出的这部分也就是第三代地壳。它富含辉石和斜长石。如果它没被喷出来,而是在地下就冷却结晶了,就叫做辉长岩,也就是辉石和长石占主导的岩石。可是,如果它被喷出了地表,就会形成黑色的玄武岩。玄武岩是构成洋壳的主要成分。月亮上面黑色的月海其实就是玄武岩。而月亮上白色的部分是浅色长石构成的,所以月亮能够反射明亮的阳光。如果都是玄武岩,月亮就会是黑乎乎,诗仙李白也就写不出“小时不识月,呼作白玉盘”的名句了。

如果地球如同月亮那么小,那么它内部热量就不足,它就会像月亮一样,只是保存了玄武岩的地表。可是,地球完全不一样,它的内部还在源源不断地积攒热量,这热量足够再次把玄武岩烤化。在这种情况下,玄武岩会再次融化分异。其中一些轻的成分,比如石英、长石等就会上升,而重的成分则往下降。

往上升的这部分物质富含石英,形成的岩浆比较粘稠。当它在地表下面冷却结晶后,形成了我们比较熟悉的花岗岩,构成第四代地壳。如果它们被喷出来,就叫做流纹岩。流纹岩的成分和花岗岩类似,只是没有后者那么明显的晶体。

既然这种岩浆是粘稠的,很少被喷出来,更多的状况是被堵在地下形成很大的花岗岩体。如果这些汇总花岗岩体被地质活动抬升起来,就会在地表形成花岗岩的山,比如青岛的崂山。

花岗岩富含石英和长石,密度很轻,一旦在地表形成,想要把它再次循环到地球深部可就难了。同时,由于花岗岩的岩浆很粘稠,在它里面的一些较重的物质会悬浮在岩浆里,而不容易因为重力作用沉下去。所以,我们在花岗岩里还会经常看到密度较重的云母、角闪石和辉石,不过含量不会偏高。此外,一些非常稀有的贵重金属,比如稀土元素,也会在花岗岩里富集,而不是沉下去。

花岗岩里含有的这些矿物质,给以后人类的发展留下了各类矿产资源。

在我国南方分布着大量的花岗岩。由于南方的气候比较湿润,花岗岩被风化成为土壤。这些稀土元素会慢慢富集,形成稀土矿。这也是为什么我国南方是稀土资源主要产区的原因。美国也有同样有花岗岩,但是它们分布的地理位置偏高,比较少被风化。如果要从花岗岩石头里直接开发稀土,简直不可能。稀土矿可谓是是地球给华南板块和中华民族留下来的贵重礼物。

如果花岗岩的性质不是粘稠的,那么这些重矿物(比如铜和铁)会沉淀下去,只留下轻的石英和长石。那样的话,地球表面的资源可就非常匮乏了,人类想发展文明,那可就难多了。不知道会在石器时代停留多久。至于想进入青铜时代和铁器时代,门都没有。

由于花岗岩这种轻的性质,它们就像浮萍一样在地表飘来飘去。好在这时地球的温度,尤其地表的温度已经下降到很低的水平,花岗岩没有被再次融化。否则的话,如果在发生一次充分的分异,地表就只剩下石英这种最轻的物质,根本无法形成土壤,那么各种植物想要从海洋登陆发展,完全就没有机会了。

好在一切都是这么恰巧。花岗岩出现在地表,没有再次融化。大家都见过海上冰山的照片或电视中的海上冰山吧?在靠近南北极的大海中,寒冷的海面上漂浮着一座座或大或小的冰山。可不要小看上面这一小坨冰山,它实际的体积可要大非常多。所谓冰山一角,说得是冰山的主要部分都在水下面。这主要是因为冰的密度比水小。

同样的简单原理也可以用来理解花岗岩地壳。它就像冰川一样漂浮在橄榄岩上面,而大部分地壳都在地下,我们看不到。那么地壳到底有多厚?

我们第二个基本原则就是补偿原理。地面上露出的地壳越多,它下面的主体部分就越厚。也就是说地壳厚度基本上和地表高程成镜像关系。

有了这样的原理,我们在看看地球仪。全世界最高的地方当然在青藏高原。这里拥有世界第一高峰珠穆拉玛峰(海拔8844米)。这就表明着这个地区的地壳最厚。这么厚的地壳,其中的结构肯定更复杂。科学家对青藏高原地壳结构进行精细的刻画,以便了解青藏在隆升过程中的机制和细节。

当我们的目光往东走,会看到地表的高程逐渐降低。以太行山为界,华北大平原的高程很低。这就说明,这个华北的地壳很薄。

我们之前不是说华北是克拉通吗?克拉通想要保持稳定,薄地壳肯定不行。于是,早期一个大胆设想就认为,最初华北确实是厚地壳,高程也比现在高,估计和非洲的高原很像。可是,新生代以来,太平洋板块俯冲过来,把华北克拉通给破坏了。使得它的地壳变薄,同时地表高程变低。

总而言之,地球的第四代地壳--花岗岩地壳形成了,没有继续被融化。形成的时间大多在太古代,距今30几亿年。




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1 石晓燕

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