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地球科学原理之23 岩石圈形成前的去气作用

已有 3766 次阅读 2009-4-7 22:56 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 地球演化, 去气作用, 地球科学原理, 岩石圈形成前

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

 

上一回,我们分析了地球的起源和早期演化,有了这些基础,我们就可以来分析地球的去气作用。这一回,我们先来分析地球岩石圈形成前的的去气作用。

组成地球的冷星云物质,主要是硅酸盐岩,含有大量的结晶水(韩吟文和马振东, 2003)。同时,还含有一定量的碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硼酸盐和卤盐等(韩吟文和马振东, 2003)

当地球的表层物质开始熔融后,由于高温和高压的作用,物质的大量结晶水,以水蒸汽的形式,被释放入地球外层,形成大气圈,形成原始的大气层。同时,当熔融地球层的温度升至碳酸盐及其它易分解物质的熔点时,这些易分解物质将分解而产生大量的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氯化氢、氟化氢等气体。这些气体和水蒸汽一道,共同组成了原始大气层。

由于这时地球表面尚有高气压的宇宙大气存在,已熔融液体岩浆表层里的水蒸气等气体的排出,还受到当时大气压的影响。在这个大气压和熔融状态下岩浆里原始大气的溶解度的共同影响下,原始大气里的各种气体会在原始大气和熔融地球表层液体岩浆之间,建立一种浓度平衡。在这个平衡的影响下,熔融岩浆里的水蒸气、二氧化碳等去气气体,并不会完全排出,同时,原始大气中的氢等宇宙大气,还会向岩浆里溶解。

因为地球熔融的早期,只是表层的物质熔融,所以,只是表层物质所含的水、二氧化碳等气体释放入大气圈。当地球逐渐向地心熔融时,地球外部的岩浆又已开始凝固了。凝固了的岩浆形成岩石圈,阻止了内部圈层熔融产生的水蒸汽、二氧化碳、氢等气体向大气圈的释放。

当然,这些被襟固在固体地壳内的气体,由于比重较轻,也会向地表运动。但由于地表地壳的封闭,它们不可能排出地表。这样,在压力、浮力和气体在不同岩浆里的溶解度等因素的共同影响下,出现了从岩石圈下至地核,不同深度分布不同的气体浓度。随着这些地内岩浆物质在压力的作用下的固化,这些气体,也就被暂时襟固在这些固体物质中了。只有当这些物质在压力降低熔融再转化为液体时,溶解在这些物质里的气体,才会释放出来。

岩石圈形成前排出的水和二氧化碳等气体的量的多少,决定原始海洋的规模。也即,若古老地壳形成之前排入大气层的水和二氧化碳等气体多的话,则形成的原始海洋规模大,海洋深且广;大气中的二氧化碳等气体浓度大。当然,因为刚形成的原始地壳,除少数外星体撞击造成的环形山外,很少有山脉,所以,只要有一定量的水,海洋将形成完整的水圈,也就是海洋将包围整个地壳,海洋中很少有陆地出露。

而排水的多少,又由原始地壳形成时,地球熔融的厚度决定。在原始地壳形成之前,地球熔融的深度越深,排入大气层的水就越多,排入大气中的二氧化碳等气体也就越多。若原始地壳形成时,地球熔融的厚度不足,则排入大气圈中的水和二氧化碳等气体的量也少。简单地说,原始地壳形成前,地球熔融后排入大气圈的水和二氧化碳等气体的量,至少应受两个条件限制:

一是最大量限制。就是说,原始地壳形成前,排入大气圈的水和二氧等气体量不能太大。因为水蒸汽和二氧化碳等气体,都是温室气体,若这些气体太多的话,将形成强烈的温室效应。若这种温室效应太强,因为地球虽然已形成了阻碍地内水和二氧化碳等气体排出的原始地壳,但地球的排气作用不可能完全停止;再是太阳的发热量在逐渐增强;在这些作用的综合影响下,原始地壳的温度永远不可能降至水的凝聚点以下,这样,液体的海洋也就永远不可能形成。若真是这样的话,地球将就是另一个金星(欧阳自远,1994a),永远不可能有生命在上面存在。

二是最小量限制。就是说,原始地球刚处于熔融状态,原始地壳就形成了。这样,只有很少量的水和二氧化碳等气体形成。这些温室气体不足以维持地球的表面温度在0以上。这样,地球将和现在的火星一样(欧阳自远,1994a),形成一个冰冷的地球。由于其上的水太少,也不可能形成大质量的冰川。没有大质量的冰川形成,地球也就失去了进一步演化的动力,也就不可能产生构造运动。没有构造运动,地内就算能继续熔融,能产生大量的水、二氧化碳等气体,这些气体也不可能再排出地表外。这样,地球将一直维持冰冷状态,地球上也不会产生生命现象;至少不会演化出多细胞生物,更不用说智能生物了。

就现状来说,地球没有变成火星,也没有变成金星,还有智能生物存在。这说明,地球原始地壳形成前,地层的熔融厚度是介于这两个极限之间的。也就是说,原始地壳形成前,地球熔融的厚度导致的排出的水和二氧化碳等气体的量,既不会使地球温室效应太强,形成超水凝聚点(假设是100,当然,由于当时大气压较高,温度肯定超过这个值)的热球;也不会使地球温室效应过低,形成低于凝固点(假设是0)的冷球。理论上说,由这两者的相关参数,及氢等宇宙气体构成的大气压,我们应可以算出原始地壳形成时地球熔融的大约厚度。

同时,若地球完全熔融后再凝固形成地壳的话,将造成地壳、地幔和地核的元素组成,呈现完全标准的梯度。也就是说,亲铁元素,将强烈地向地核运动。地壳将强烈地亏损这些元素。但是现在这些亲铁元素却在地壳内富积(韩吟文和马振东, 2003),这也证明,地球不是完全熔融后才形成原始地壳的。地球是在原始地壳形成后,再逐渐向地心熔融的。这样,若地球熔融刚开始就形成原始地壳,也就是原始地壳形成时,熔融的地球厚度不大。这时形成的地壳里的亲铁元素将会更多地保存在原始地壳中。若原始地壳形成时,地球熔融的厚度已经很大,这时,大量的亲铁元素将向地心转移,这时形成的原始地壳里,亲铁元素的含量,将会减少。所以,我们也可以根据地壳里亲铁元素的异常富积量,推算出原始地壳形成时地球熔融的厚度。

当然,计算时,我们还得考虑由于造山运动造成的地幔和地壳之间的元素扰动,即地幔的亲铁元素向地壳的转移作用。

以上,我们分析了地球的岩石圈形成前的去气作用。岩石圈,作为液体地球物质的圈闭圈,它肯定会对地球的去气作用产生影响,那么,岩石圈形成后,地球又会有怎样的去气作用呢?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之24  岩石圈形成后的去气作用

参考文献:

韩吟文,马振东. 地球化学.北京:地质出版社. 2003. 303-370

欧阳自远. 比较行星地质学. 地球科学进展, 1994a, 9(2): 75-77.           

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途



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