地球科学原理之十四古岩石壳的形成及大陆的演化

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2019/12/07 15:20:12
作者:廖永岩 编辑:探矿者
前面几回我们分析了冰川的地质作用,下面我们就利用冰川的地质作用原理,来具体分析古岩石壳的形成及大陆的演化。
地球形成于46亿年前。原始地球形成后,因重力不断收缩和放射性元素蜕变而增加温度。当原始地球内部物质增温达到熔融状态时,比重大的物质向地心下沉,成为铁镍地核,比重小的物质上浮组成地幔(刘本培和蔡运龙, 2000; Ringwood, 1979)。那时地球太热,表面呈岩浆状态,还没有形成地壳;也没有海洋,H2O都是以水蒸气的形式存在于原始大气中。
约40~38亿年前,地球由于不断的热辐射,温度逐渐降低。当表面温度低于岩浆的凝固点时,最原始的岩石壳(古岩石壳)形成开始,至25亿年前,古岩石壳形成完成(张均, 1998; 中国科学院地球化学研究所, 2000)。
岩石壳没有形成之前,熔浆物质的排列,呈越接近地心,密度越大,越接近地表,密度越小(见图2)。首先固化的是相对较轻的、含高SiO2的花岗岩类。所以,古岩石壳,完全由高SiO2岩石(如花岗岩)构成,就是所谓的花岗岩类岩石壳。

图2. 地球的内部结构.  A,岩石圈;B,软流圈;C,部分上地幔;D,下地幔;E,地核;F,地幔浮力面
总体来说,先形成的岩石壳,密度较小,相对较轻,如花岗岩。由于密度较轻的物质已先固化,留下的是密度较大的岩浆,所以,后形成的岩石密度较大,较重,如玄武岩类。
所以,先形成的岩石层(或岩石壳)和后形成的岩石层(或岩石壳)相互作用时,总是先形成的岩石壳由于密度较小,较轻而位于上方,而后形成的岩石壳由于密度较大,较重而位于下方。
同样,先形成的大陆,较轻;而后形成的大陆,较重。不同时代形成的大陆板块,密度不一样。越古老的板块越轻,越新的板块越重。由不同时代的岩石共同形成的板块,密度由各个时期形成的板块所占的比例来决定这个板块的比重。
所以,岩石或板块的比重,是由岩石或板块在地史上形成的先后决定的。
地壳一旦形成,因为岩石壳是热的不良导体,地球内部的热量不容易传出来。而地球表面由于不断向外辐射热量,温度不断降低,当温度降至100℃时,大量的水蒸气凝聚成液态的水,就形成了原始的海洋。原始的海洋约形成于38亿年前(张均, 1998)
没有冰川形成以前的地球演化早期,不可能有造海运动和造山运动。所以,原始地球表面差不多完全由海洋占据,大地水准面大体很平整,远没有现在这么凹凸不平(图8,a, A)。仅有象月球的环形山一样,由于外星体撞击而成的小块突起。我们将这时的海洋岩石壳,称为古岩石壳(或古岩石圈)。
自地球上第一次形成极地大冰盖(Kaufman et. Al., 1997; Donnadieu et. al., 2004),地球的演化开始。
冰川形成时,根据造海作用原理,古岩石壳有的地方被撕裂,形成洋中脊,由洋中脊演化出次生海洋岩石壳(简称海洋岩石壳)。由海洋岩石壳形成的海洋,简称次生海洋(见图8,b);由古岩石壳形成的海洋简称为古海洋(见图8,a)。虽然海洋岩石壳比重稍比古岩石壳重,但相差不大。所以,海洋岩壳和古岩石壳的厚度相差不大,次生海洋和古海洋的深度也相差不太大。古海洋和次生海洋连为一体(见图8,b)。

图8. 古岩石圈的形成和大陆的演化.  A,古岩石圈;B次大陆岩石壳;C,陆核;D,较新形成的大陆岩石壳;E,最新大陆岩石壳;F;海洋岩石壳.
古岩石壳和海洋岩石壳的厚薄相差不大。所以,冰川消融,地球收缩时,在造陆作用的作用下,它们形成陆地的方式也差不多(见图8)。
古壳和洋壳均比较薄,在冰川的造陆作用下,形成的海盆(地向斜)不会太大(见图9),海盆和海山(地背斜)具有多而小的特点。大量地向斜和地背斜相间排列(见图9,c)。当冰川进一步消融,地球进一步收缩时,地向斜演化成地槽(见图9,d)。地槽再进一步演变成中央隆起。由于地球的不断收缩,最后,大小不等的许多中央隆起和相间其间的拗陷的地背斜一起,共同拼贴成陆核(见图9,e-f)。这样,就出现了由古壳形成的陆核,或由洋壳形成的陆核,或由古壳和洋共同形成的陆核(见图9)。这些陆核分布于古海洋或次生海洋中,就成为地球上最早的陆核。这些陆核的特点是:数目较多,但规模都较小(见图8, b)。

图9. 陆核形成过程.  a,示没有陆核的地球; b,示a图框内地壳的一部分放大;c,示地壳出现地向斜和地背斜(褶皱);d,示褶皱挤压;e,褶皱挤压拼接;f,示已出现陆核的地球。A,海盆(或地向斜或地槽);B,地背斜;C,海洋岩石圈;D,陆核.
在下一次冰川引起的造海过程中,又会形成更多的洋壳。而在造陆过程中,这些大小不等的陆核经过进一步的拼贴,就形成了较大的陆核(见图8,c)。整个太古宙、元古宙,经过了2次以上大的冰川形成与消融(Kaufman et. Al., 1997; Donnadieu et. al., 2004; 张同钢等, 2002)。经过新元古的多次冰川作用,陆核不断扩大,最终形成了西北利亚地台、加拿大地台、非洲地台等古地台(宋春青和张振春, 1996)(见图8,b- c)。这些古地台,主要是由古壳的高SiO2花岗岩类构成,所含的低SiO2的玄武岩等类的后成岩石较小。
在以后奥陶纪、石炭二叠纪和第四纪冰川期,这些古地台又经过不断地拼贴或分裂,再加上不断地有,由洋壳演化来的陆壳的补充,逐渐演化为现在的地质板块(见图8,e)。
开始形成的古地台都不太厚,不足以支撑太深太大的地槽形成,所以,不会有高大的山脉形成。后来,当海盆两侧有足够厚的地台支撑时,就形成了足够大的地槽,也就形成了象当今世界很多大山脉一样足够大的山脉。
冰川是逐渐形成的,并且,在形成的过程中,还会有次一级的短暂消融过程。所以,冰川形成期主要由洋中脊进行洋壳的扩张,但其间也会有海盆的形成和地槽的发育等造山运动。
同理,冰川消融期,也是逐渐进行的,在消融的过程中,还会有次一级的洋中脊短暂形成过程。所以,冰川消融期主要进行海盆形成和地槽演化等造山运动,但其间也会有洋中脊形成洋壳的造海运动,不断给造山运动补充材料。
已形成的地台,或大陆板块,一般来说,是相当稳定的。但在造山作用下,当其两侧受到强有力的抬升时,中部就会断裂而相对下陷形成地堑。若这种情况正好处于冰川形成期或冰川消融期的次一级冰川形成期,就有可能发育成新的洋中脊。这样,大陆块就可能分裂,一块大陆分裂成两块或多块新的大陆。
地球上开始形成的几次冰川,主要形成东西走向或近东西走向的洋中脊,如形成阿尔卑斯山脉、天山山脉和喜马拉雅山脉等。而后期,才主要形成南北走向或近南北走向的山脉,如安第斯山脉和落基山脉等。所以,洋中脊作用形成大陆板块的漂移,早期主要是南北漂移,后期才是东西漂移。南北漂移,会改变板块的纬度。所以,地磁磁极的位置,也就相对发生了移动。可能磁极本身是不动或基本不动的。现有的各大地质板块,在地质史上在不停地发生着变化,也就是不停地进行分、合及扩张和缩小。所以,只要测定各个可知的地质板块的地磁极变化规律,就有可能知各个地质板块相对于地极而进行的“漂移”及分离和合并;从而推断出各个地史时期地球各板块的分布及大小。
冰川的地质作用的分析到此告一段落。那么目前有没有冰川的地质作用的证据呢?若有,又是哪些呢?下面几回,我们将的介绍冰川地质作用的地质化学和地球物理两方面的证据。到底有哪方面的地质化学方面的证据?且听下回分解。
未完,待续。
下回预告:地球科学原理之15  冰期旋回中碳酸盐岩δ13C变化规律
参考文献:
刘本培,蔡运龙. 地球科学导论. 北京:高等教育出版社. 2000. 8-303
宋春青,张振春. 地质学基础. 北京:高等教育出版社. 1996. 272-348
张均. 生物进化. 北京:北京大学出版社. 1998. 41-99
张同钢,储雪蕾,陈孟莪,张启锐,冯连君. 新元古代全球冰川事件对早期生物演化的影响,地学前缘,2002,9(3):49-56
中国科学院地球化学研究所. 高等地球化学. 北京:科学出版社. 2000. 1-110
Donnadieu Y, Goddéris Y, Ramstein G, Nédélec A, Meert J. A 'snowball Earth' climate triggered by continental break-up through changes in runoff. Nature, 2004, 428: 303 – 306
Kaufman A L, Knoll A H, Narbonne G M. Isotopes, ice ages, and terminal Proterrozoic earth history. Proc. Natl. Acad. Sci. , 1997, 95: 6600-6605
Ringwood, A. E. Composition and origin of the earth. In M. W. McElhinny, editor, The earth: Its Origin, Structure, and Evolution. London: Academic Press, 1979. 1-58
(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(2007年5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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