翟明國(guó)

中國(guó)科學(xué)院院士,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029

地球的陸殼是怎樣形成的?
——神秘而有趣的前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)

翟明國(guó)

中國(guó)科學(xué)院院士,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029

地球 陸殼 形成與演化 前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)

地球的年齡大約有46億年。以5.45億年為界,之前的稱為前寒武紀(jì),它有大約40億年,是地球歷史上漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)代。之后的稱為顯生宙,寒武紀(jì)就是顯生宙的第一個(gè)紀(jì)元。地球陸殼的80%～90%以上是在前寒武紀(jì)形成的,記錄了復(fù)雜和驚心動(dòng)魄的地質(zhì)構(gòu)造事件,賦存著豐富的礦產(chǎn)資源。前寒武紀(jì)地質(zhì),就是研究地球在前寒武紀(jì)時(shí)期的地質(zhì)演化,特別是大陸的形成和增生以及演化的學(xué)科。

前寒武紀(jì)是地球形成與演化史上最為漫長(zhǎng)的一個(gè)地質(zhì)時(shí)代。我們的地球如今已經(jīng)有46億年的歷史了,在這46億年中,5.45億年前是一個(gè)重要的分水嶺,從那時(shí)起,地球出現(xiàn)了大量的生物,那以后的時(shí)段,通稱為顯生宙,而顯生宙的第一個(gè)地質(zhì)時(shí)代,就是寒武紀(jì)。前寒武紀(jì)是相對(duì)于寒武紀(jì)而言的。前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)研究的就是比寒武紀(jì)更古老的約40億年漫長(zhǎng)的地球地質(zhì)歷史。地球大陸的80%～90%以上,是在前寒武紀(jì)形成的[1-3],并且賦存著豐富的礦產(chǎn)資源。因此,解讀前寒武紀(jì)的地質(zhì)歷史,對(duì)我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球、利用地球、保護(hù)地球,有著很重要的意義。

地球可以分為大陸和大洋,從地質(zhì)學(xué)的角度,我們稱組成大陸和大洋的巖石圈層為陸殼和洋殼,它們約占地球表面積的比例是3∶7(圖1,見封二)。人類的發(fā)源地和主要棲息地是陸地,因此陸殼是怎樣形成和生長(zhǎng)的,是一個(gè)需要回答的科學(xué)問題,它對(duì)于我們認(rèn)知地球、利用地球和保護(hù)地球都至關(guān)重要。

1 大陸和大洋是怎樣形成的呢?

大陸和大洋是怎樣形成的?中國(guó)的古人們很早就關(guān)注到這個(gè)問題,并提出很有見地的認(rèn)識(shí)。屈原的《天問》中有“圜則九重,孰營(yíng)度之?八柱何當(dāng),東南何虧?”;又如《詩(shī)經(jīng)》曰：“高岸為谷,深谷為陵?！碧岢隽烁甙蹲兂缮罟?深谷變成大山的滄桑巨遷的道理。在地質(zhì)學(xué)發(fā)展史上,曾有水成論與火成論的論戰(zhàn),一度曾非常白熱化。水成論者認(rèn)為水對(duì)地表的改變起決定因素。紀(jì)元前,古羅馬人已發(fā)現(xiàn)尼羅河兩岸周期性地被洪水淹沒、尼羅河在三角洲不斷增大、另外,陸地上存在海相介殼動(dòng)物化石等事實(shí)。火成說把“地下熱火”看成地質(zhì)現(xiàn)象的主要?jiǎng)恿?地球核心是熔融的液態(tài)。由于意大利西海岸火山巖帶的強(qiáng)烈活動(dòng),古羅馬人相信有一位主管火和鍛冶的神,稱“沃爾坎”(Vulcan)。在教會(huì)統(tǒng)治的中世紀(jì),“圣經(jīng)”是唯一的真理。“圣經(jīng)”里說有諾亞的大洪水,水成說在很長(zhǎng)一段時(shí)期里成為不可動(dòng)搖的信條。魏爾納是水成說的集大成者。1775年起他任德國(guó)費(fèi)頓堡礦山學(xué)校的教授,以出色的教學(xué)吸引了大量青年學(xué)生。他認(rèn)為自原始海洋開始到諾亞洪水結(jié)束,水的力量營(yíng)造了一切地質(zhì)系統(tǒng),自原始海洋到現(xiàn)在,水面在不斷地下降,原始巖石露出水面后開始發(fā)生風(fēng)化、堆積而形成新地層。他的學(xué)生,如達(dá)步松(1804)和布赫(1809),在考察了玄武巖和花崗巖之后,都發(fā)表了不同于魏爾納水成說的觀點(diǎn)。與魏爾納觀點(diǎn)大相徑庭的一個(gè)代表人物是赫頓。這位蘇格蘭天才的主要調(diào)查區(qū)是加里東造山帶的典型露頭區(qū)蘇格蘭高地,那里有花崗巖和礦脈。他認(rèn)為地層的固化和海洋上升為陸地是地?zé)岬淖饔?火山活動(dòng)是釋放地下能量的出口,有點(diǎn)象瓦特的蒸汽機(jī)(當(dāng)時(shí)瓦特正在進(jìn)行這方面的試驗(yàn))。他的地質(zhì)理論長(zhǎng)期被說成火成論,其實(shí)他本人并不認(rèn)為所有的巖石都是火成的。他對(duì)不整合面的發(fā)現(xiàn)和解釋為18世紀(jì)的地質(zhì)學(xué)增添了光彩的一筆。水成論與火成論的論戰(zhàn)在19世紀(jì)初達(dá)到高潮。由于赫頓學(xué)說的發(fā)展,一系列新的地質(zhì)事實(shí)證實(shí)了赫頓闡述的觀點(diǎn),火成論者終于取得了勝利。英國(guó)C.萊伊爾的著作《地質(zhì)學(xué)原理》(Principles of Geology)[4]。又名為《普通地質(zhì)學(xué)教科書》、《地質(zhì)學(xué)綱要》。到1872年共出版11版,中譯本于1959年出版。萊伊爾提出地球的變化是古今一致的,地質(zhì)作用的過程是緩慢的、漸進(jìn)的。地球的過去,只能通過現(xiàn)今的地質(zhì)作用來認(rèn)識(shí),即“將今論古”。他的這種觀點(diǎn)被稱為“均變論”?！兜刭|(zhì)學(xué)原理》對(duì)當(dāng)時(shí)和以后的地質(zhì)科學(xué)發(fā)展具有劃時(shí)代的影響。今天我們來看萊伊爾火成說的最重要貢獻(xiàn),是它為認(rèn)識(shí)到地球有核幔殼的圈層,并由它們之間的相互作用而導(dǎo)致了地球演化這一地球動(dòng)力學(xué)學(xué)說奠定了基礎(chǔ)。

2 地球的大陸殼究竟有多大年齡?

根據(jù)地球上原始地幔的樣品以及太陽(yáng)系其他星球的隕石的定年,推測(cè)地球的年齡大約為45.6～46億年,與月球的年齡相當(dāng)。地球上最古老陸殼的年齡是多少呢?迄今為止最古老物質(zhì)的數(shù)據(jù)是44.04億年,是采自西澳大利亞 Yiligarn地盾Jack Hills沉積礫巖的碎屑鋯石的SHRIMP鋯石U-Pb年齡[5]。同位素特征表明鋯石是來自英云閃長(zhǎng)質(zhì)的巖石中。說明在約44億年之前,地球上已經(jīng)存在陸殼的物質(zhì)——花崗質(zhì)的巖石。此外,地質(zhì)學(xué)家還在加拿大克拉通上發(fā)現(xiàn)有年齡約為40.25～40.65億年的英云閃長(zhǎng)質(zhì)巖石(Acasta gneiss)[6],這是目前最古老的巖石,出露面積約20 km2。地球上約38億年的巖石有較多的出露,并且分布在不同的大陸(州)上。中國(guó)的鞍山存在著年齡約38億年的花崗質(zhì)片麻巖[7],在冀東地區(qū)有含38億年碎屑鋯石的石英(砂)巖[8]。中國(guó)最古老的物質(zhì)年齡是華北南緣北秦嶺南段奧陶紀(jì)火山巖中～41億年的鋯石殘留年齡[9],表明華北在41億年前已有古老的陸殼存在。雖然人們猜測(cè)地球的陸殼形成之前,可能有類似于現(xiàn)代大洋成分的巖漿海,也就是說先有洋殼,陸殼是在洋殼與地幔的演化中形成的,但是至今未發(fā)現(xiàn)有大于38億年的類似于洋殼成分的巖石。這給研究地球的早期演化蒙上了一層神秘的面紗。

3 大陸殼的巖石組成是什么?

一般認(rèn)為大陸殼是分層的,即下部地殼是由中-基性巖石組成,上部陸殼是由花崗質(zhì)巖石組成,這與不同地殼層的波速相對(duì)應(yīng)。實(shí)際上,上、下地殼的巖石組成更復(fù)雜,它們是由不同類型的巖石組合在一起的?？傮w上,上地殼的化學(xué)成分硅鋁質(zhì)偏高,下地殼的化學(xué)成分鎂鐵質(zhì)偏高。此外,由于不同深度的地殼所處環(huán)境的溫度壓力會(huì)隨著深度的變化而增高,陸殼的地溫梯度平均約30℃/km,巖石在較高的溫度和壓力下會(huì)發(fā)生礦物結(jié)構(gòu)和礦物組合的變化,即變質(zhì)相不同。地殼深度從深到淺有從麻粒巖相—混合巖化的麻粒巖相—混合巖化的角閃巖相—角閃巖相—綠片巖相—未變質(zhì)的相變化,也導(dǎo)致它們的密度與波速隨之變化。地球有約46億年的歷史,它的80%～90%以上的陸殼約在25億年以前形成,即在25億年前地球已經(jīng)有了和現(xiàn)在規(guī)模相當(dāng)?shù)拇箨?并且大部分大陸都進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。上下地殼分層并與地幔達(dá)到耦合,這個(gè)地質(zhì)過程叫做克拉通化。在地質(zhì)年代表上,25億年是太古宙與元古宙的分界。圖2(見封二)表示的是世界上不同時(shí)代的巖石出露圖,其中褐色是太古宙巖石,黃色是元古宙巖石(有些地方元古宙巖石之下是太古宙巖石)。各大陸(州)邊緣的白邊是顯生宙的巖石。在太古宙形成的陸殼,有兩種基本的巖石組合,它們分別被稱為高級(jí)變質(zhì)的片麻巖區(qū)(簡(jiǎn)稱高級(jí)區(qū))和低級(jí)變質(zhì)的綠巖帶(簡(jiǎn)稱綠巖帶),前者約占70%～80%,后者約占20%～30%。高級(jí)區(qū)是經(jīng)過溫度和壓力都較高的變質(zhì)作用的巖石組合,主要的巖石是TTG質(zhì)的花崗片麻巖(定義見下文)、輝長(zhǎng)巖和少量的表殼巖(沉積巖和火山巖)。TTG片麻巖約占80%以上。TTG片麻巖與常見的鈣堿質(zhì)花崗巖的主要區(qū)別是含有較高的鈉含量,一般認(rèn)為它們的形成不能直接通過地幔的部分熔融,需要由地幔熔融形成的基性巖石(玄武巖-輝長(zhǎng)巖)再次部分熔融形成。綠巖帶主要由未變質(zhì)-淺變質(zhì)的火山-沉積巖,以及花崗巖和TTG片麻巖組成。由此可見,前寒武紀(jì)形成的陸殼中有大于50%～70%的巖石是TTG片麻巖,其他的巖石是花崗巖、火山-沉積巖和輝長(zhǎng)巖等。

4 神秘的早前寒武紀(jì)的巖石

早期寒武紀(jì)的巖石是神奇的,這主要是因?yàn)樗鼈兊哪挲g老,大多數(shù)都老于25億年;還因?yàn)樗鼈冊(cè)诘厍虻陌l(fā)展歷史上大多陸殼沒有重復(fù),即在顯生宙的地質(zhì)過程中很難再形成這樣的巖石。這也暗示出,地球的演化過程及其機(jī)制并不是千古一理的。主要的代表性巖石有TTG片麻巖、科馬提巖、條帶狀硅鐵建造、非造山巖漿組合(斜長(zhǎng)巖、奧長(zhǎng)環(huán)斑花崗巖)。

TTG片麻巖(圖3(a),見封二)由于顏色灰白,通常經(jīng)歷復(fù)雜的變形,巖石中的片狀和柱狀的礦物如黑云母、角閃石、輝石等定向排列,并常與暗色的角閃巖(麻粒巖)形成條帶,又稱為灰色片麻巖或條帶狀片麻巖。TTG是trondhjemite(奧長(zhǎng)花崗巖)、tonalite(英云閃長(zhǎng)巖)和granidiorite(花崗閃長(zhǎng)巖)三個(gè)英文單詞的縮寫,是一套富鈉貧鉀的花崗質(zhì)侵入巖。如前面所說,TTG巖漿很難從地幔中直接熔融出來,因此一些研究者假設(shè)它們是從由地幔派生的基性巖石再次熔融形成的。假設(shè)的理論是地球上先有類似于現(xiàn)代洋殼的玄武質(zhì)巖石,它們經(jīng)歷了俯沖作用到約10～20 km的地殼深部。然后發(fā)生部分熔融,形成了TTG巖漿。該模式的困難是,至今為止,地球上最古老的巖石都是TTG片麻巖,沒有找到存在最古老基性巖石的記錄。另外,顯生宙與洋殼俯沖有關(guān)的活動(dòng)陸緣的安第斯型島弧的埃達(dá)克質(zhì)巖石與前寒武紀(jì)TTG片麻巖相比,更加復(fù)硅貧鎂,二者在成因上應(yīng)有差別[10]。另外的巖漿分異說認(rèn)為,在太古宙,從地幔派生的高M(jìn)gO+FeO成分的鎂鐵質(zhì)巖石有較大的密度,因而,這些熔體的大部分未能達(dá)到上部地殼位置?？岂R提巖來源于上地幔曾發(fā)生的高度(60%～80%)的部分熔融作用和熔體有大于3 g/cm3的密度,因而會(huì)有大多數(shù)這樣的物質(zhì)將在或接近地殼基底部分停留下來,趨向于形成不混熔液體,經(jīng)重力分離作用后,上升到地殼上面,形成玄武巖或英云閃長(zhǎng)巖;而遺留下來的橄欖巖質(zhì)殘留物的密度比原始物質(zhì)要小,它們將浮起在未虧損地幔上部,并趨向于與上覆巖石圈合并,從而形成克拉通化和巨厚的巖石圈[11]。

科馬提巖是化學(xué)成分上相對(duì)高鎂而高硅的火山巖,是高溫的地幔高比例熔融的特殊的巖漿,在早前寒武紀(jì)特別是太古宙普遍出現(xiàn),但在顯生宙很少出現(xiàn)的巖石。很顯然和地球高溫有關(guān)。因此,對(duì)它的成因多數(shù)人傾向于是和地幔柱構(gòu)造有關(guān)的構(gòu)造作用下,地幔發(fā)生了大比例的熔融,從而形成的超鎂鐵質(zhì)巖漿,其熔融的溫度應(yīng)在1400～1600℃,至少大于1200℃。該巖石1969年首次發(fā)現(xiàn)于南非巴伯頓山地的科馬提(Komati)河流域,故名科馬提巖。原意是指只限于太古宙綠巖帶中中枕狀巖流頂部的、具鬣刺結(jié)構(gòu)的超鎂鐵質(zhì)熔巖。巖石主要由橄欖石、輝石的斑晶(或骸晶)和少量鉻尖晶石以及玻璃基質(zhì)組成,具枕狀構(gòu)造、碎屑構(gòu)造,和典型的鬣刺結(jié)構(gòu)(魚骨狀或羽狀),其特點(diǎn)是橄欖石呈細(xì)長(zhǎng)的鋸齒狀斑晶(圖3(b),見封二),是淬火結(jié)晶的產(chǎn)物。在化學(xué)成分上典型的科馬提巖以 MgO＞18 wt%(無水)、CaO：Al2O3＞1、高Ni,Cr,Fe/Mg,低堿為特征?？岂R提巖是太古宙重要的有代表性的火山巖,是綠巖帶的主要組成部分。其他太古宙的火山巖還有枕狀的玄武巖和英安巖,它們?cè)陲@生宙也廣泛存在于造山帶中,但是卻很少有科馬提巖,說明地幔的熔融溫度低得多,熔融程度也低得多。與科馬提巖有關(guān)的礦產(chǎn)有各銅、銻、鎳,其中鎳礦儲(chǔ)量尤為豐富。

條帶狀硅鐵建造是由硅質(zhì)(石英玻璃的成分)和鐵的氧化物(磁鐵礦為主)互為條帶的巖石建造(圖3(c),見封二),條帶寬約幾毫米至幾厘米。英文是banded iron formations,簡(jiǎn)稱BIF。最古老的BIF的形成時(shí)代約為38億年,在19億年之后就不再形成。“條帶狀硅鐵建造(BIF)”的出現(xiàn)是地球早期大氣和海洋的氧分壓大幅提升的重要標(biāo)志性事件。研究表明：在太古宙海水處于還原狀態(tài),有大量的2價(jià)鐵離子溶解于海水中。當(dāng)海底火山噴發(fā),并由此引起微生物生長(zhǎng)而引起氧化度增高時(shí),2價(jià)鐵部分變成3價(jià)鐵,形成鐵的氧化物沉積,從而形成鐵礦。在早元古代,海水的氧化度已較大提高,因此是條帶狀硅鐵建造大量形成的時(shí)期。而后,雖然大氣與海水中的氧的分壓都較高,但是,海水中的鐵含量已經(jīng)較低,有鐵的結(jié)核產(chǎn)生,但已經(jīng)沒有了形成條帶狀鐵建造的物質(zhì)基礎(chǔ)。唯一的例外是在約8～6.3億年期間,地球上處于一個(gè)大冰期階段,該時(shí)期稱為成冰紀(jì)。有證據(jù)表明,可能全球都處于冰凍或冷水沉積狀態(tài),又叫做雪球事件[12]。在此時(shí)期海水的分壓又降低,出現(xiàn)形成條帶狀鐵建造的條件。雖然產(chǎn)生的鐵礦遠(yuǎn)遠(yuǎn)比太古宙和早元古代少,但對(duì)于條帶狀鐵建造的形成條件以及對(duì)于地質(zhì)環(huán)境的研究,都有科學(xué)意義。

斜長(zhǎng)巖和非造山巖漿組合,是早前寒武紀(jì)的重要巖石類型。在月球上廣泛出露的斜長(zhǎng)巖,在地球上出露比例很小。太古宙的斜長(zhǎng)巖常與淡色輝長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)巖組成層狀巖體。斜長(zhǎng)石多形成近等粒、雪花狀的巨晶。元古宙的斜長(zhǎng)巖主要與奧長(zhǎng)環(huán)斑花崗巖、輝長(zhǎng)巖以及堿性花崗巖、正長(zhǎng)巖和堿性火山巖等有成因聯(lián)系的巖漿巖組合。顧名思義,非造山巖漿組合就是指陸內(nèi)非造山的構(gòu)造環(huán)境的巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。非造山巖漿巖以深成巖體和巖墻的形式產(chǎn)出,代表相對(duì)小體積的巖漿,就位在老克拉通核附近。非造山巖漿巖的產(chǎn)生方式及演化過程可能有多種：玄武質(zhì)巖漿的結(jié)晶分異,英云閃長(zhǎng)巖或更酸性地殼的部分熔融,殼幔源區(qū)的混合。奧長(zhǎng)環(huán)斑花崗巖是具有A型花崗巖特征的,以大巖基形式產(chǎn)出的顯示環(huán)斑結(jié)構(gòu)的花崗巖[13]。它的結(jié)構(gòu)非常奇特(圖3(d),見封二),奧長(zhǎng)石的邊環(huán)繞在鉀長(zhǎng)石斑晶外圍,反映了在巖漿過程中的物理化學(xué)條件的變化引起的礦物結(jié)晶過程。環(huán)斑花崗巖的地球化學(xué)特征是亞堿性,偏鋁質(zhì),高FeOt/(FeOt+MgO),高 K2O和不相容元素(REE,Zr,Hf),虧損Ca,Mg,Sr,P,Ti等,高初始87Sr/86Sr(0.705±0.003),負(fù)的或接近0的εNd值。因此,環(huán)斑花崗巖就位于相對(duì)干的、高氧逸度、溫度650～800℃、深度不超過15 km的條件。非造山巖漿特征地出現(xiàn)在古元古代末或中元古代早期,一些研究者將它們與推測(cè)的中元古代的超大陸裂解和地幔柱構(gòu)造有關(guān)。

5 地球演化的早期有板塊構(gòu)造嗎?

現(xiàn)存大陸殼的80%～90%以上是在前寒武紀(jì)形成的,60%～80%是在太古宙形成的。因此,大陸殼的大多數(shù)巖石是TTG片麻巖和其他前寒武紀(jì)巖石,以及以它們?yōu)榛椎牡嘏_(tái)型蓋層沉積。顯生宙形成的地殼一般是圍繞在古老陸塊的邊部成狹長(zhǎng)的帶狀分布(圖1,見封二),稱為造山帶。在造山帶及其古老大陸的邊緣,前寒武紀(jì)的陸殼巖石部分被改造或拆沉到地幔中。在造山帶,一些洋殼消減并部分熔融形成新的陸殼,即橫向增生;消減帶附近還發(fā)生有地幔和地殼的相互作用,也有新的陸殼產(chǎn)生,即垂向增生。顯生宙的陸殼的增生可以從顯生宙造山帶的構(gòu)造演化中去觀察和研究。由于造山帶及其陸緣是殼?；顒?dòng)激烈、物質(zhì)交換活躍、能量充足并能提供必要的空間,因此,同時(shí)也為礦產(chǎn)資源的形成和儲(chǔ)藏提供了必要的場(chǎng)所。

早前寒武紀(jì)的地溫梯度要大于現(xiàn)今的地溫梯度,也就是說,雖然在太古宙和古元古代時(shí)期,地表的溫度大致和現(xiàn)在相似,但是向地殼的深部,溫度梯度要比現(xiàn)代的地殼高得多。地?zé)崽荻仁怯绊懻硿群土髯儚?qiáng)度的重要因素。板塊構(gòu)造是建立在大陸漂移設(shè)想的基礎(chǔ)上的。要求地球有物質(zhì)組成與物理性質(zhì)有巨大差異的大陸巖石圈和大洋巖石圈塊體,要求地殼、地幔和軟流圈等不同圈層有一定范圍的物理與化學(xué)性質(zhì),其中剛性程度、流動(dòng)強(qiáng)度以及不同圈層之間的差別都是很重要的指標(biāo)(圖4,見封二)。地球剛性的巖石圈地幔與下覆的剛性弱的軟流圈的差異運(yùn)動(dòng)是大陸漂移的基礎(chǔ)。地幔對(duì)流是地球內(nèi)部能量、自身旋轉(zhuǎn)及其與其他行星的相互影響的結(jié)果,是板塊運(yùn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。為什么地球上有板塊構(gòu)造,而金星、火星、水星、月球等星體上沒有板塊構(gòu)造?類地星球上能否有板塊構(gòu)造是有條件的,如果行星表層圈巖石的流動(dòng)強(qiáng)度太大(＞200 MPa),剛性的“巖石圈”太厚,其下的地幔形成不了大規(guī)范的對(duì)流循環(huán)圈,整個(gè)行星表層只是一個(gè)統(tǒng)一的、靜止不動(dòng)的剛性球殼(如月球),而不是形成諸多漂移的、相互碰撞與俯沖、或彼此分離的板塊。相反,如果行星表層圈巖石的流動(dòng)強(qiáng)度很小(＜20 MPa),從上到下都在作劇烈的粘性流動(dòng)(如金星),則也不會(huì)形成板塊構(gòu)造。板塊構(gòu)造運(yùn)作的必要條件要求行星表層圈巖石的流動(dòng)強(qiáng)度既不能太大,也不能太小。很顯然,板塊構(gòu)造是地球演化到一定程度的產(chǎn)物。早期的地球沒有板塊構(gòu)造的,現(xiàn)代地球板塊構(gòu)造是基本的演化機(jī)制,以后很長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)代之后,板塊構(gòu)造將不再適合于變化了的地球。上述的星球的研究都可能對(duì)地球的前寒武紀(jì)演化提供思路。

6 特殊的早前寒武紀(jì)構(gòu)造事件

特殊的早前寒武紀(jì)地質(zhì)事件是地球早期地殼的構(gòu)造機(jī)制的具體表現(xiàn)。代表性的構(gòu)造事件可以舉例如下：TTG片麻巖的大量出現(xiàn)與造殼事件;蛇綠巖與綠巖帶問題;十億年以來才出現(xiàn)藍(lán)片巖與洋殼俯沖;高級(jí)變質(zhì)巖石與時(shí)代專屬性。

TTG片麻巖的大量出現(xiàn)與造殼事件是地球早期演化最主要的事件。距離地球最近、淵源最深的月球的殼是由斜長(zhǎng)巖高地(包括 KEEP盆地,成分大約為蘇長(zhǎng)巖)以及玄武巖月海盆地組成,二者的比例為83∶17。可見斜長(zhǎng)巖占得比例很大。斜長(zhǎng)巖又是月巖中目前最古老的巖石,年齡約為44.56億年。因此,對(duì)月殼的形成有巖漿海模式,經(jīng)過分異形成三層殼幔結(jié)構(gòu)(斜長(zhǎng)巖層、富鈦鐵礦層、低鈦橄欖輝石巖層)。地球最古老的碎屑鋯石的U-Pb年齡是44.04億年,并且它們被推測(cè)為TTG片麻巖的鋯石。最古老的巖石是在加拿大地盾的TTG片麻巖,其鋯石的U-Pb年齡是40.31～40.65億年。38億年的古老地殼已在不同的大洲有較多發(fā)現(xiàn),巖石除TTG片麻巖外,還有包括條帶狀硅鐵建造的沉積巖。為什么TTG片麻巖會(huì)成為最古老的陸殼巖石,以及它們是如何形成的,至今存在重大的爭(zhēng)議。有地球先存在玄武巖海或科馬提巖海的假說,但多數(shù)意見認(rèn)為 TTG片麻巖很難直接從地幔中分異出來。有些學(xué)者用現(xiàn)代島弧的俯沖洋片部分熔融的理論來解釋早期造殼事件。但是,TTG片麻巖與埃達(dá)克質(zhì)巖石的地球化學(xué)差異,以及超大比例的TTG巖石和它們多經(jīng)歷了高級(jí)變質(zhì)作用,成為高級(jí)變質(zhì)地體的主要組成,也為后一種學(xué)說帶來困擾。

蛇綠巖與洋殼問題是早期造殼事件的一個(gè)關(guān)鍵證據(jù)。換句話說,地球上是先有洋殼還是先有陸殼?目前尚未發(fā)現(xiàn)早期存在洋殼的明確證據(jù)。陸地上存在的洋殼的殘余,稱為蛇綠巖套,它們通常由代表大洋地幔的橄欖巖,代表大洋地殼的玄武巖和輝長(zhǎng)巖,以及一些深海沉積巖組成。目前,有學(xué)者提出在38億年、27億年、25億年、20～19億年的巖石中,可能存在類似于蛇綠巖的巖石,但都沒有得到公認(rèn)。因?yàn)樗鼈兊膸r石組合、產(chǎn)狀、地球化學(xué)等方面不同程度與顯生宙的蛇綠巖特別是現(xiàn)代洋殼存在很大的差距。另一種可能是在早期的地球演化歷史中,洋殼的組成和現(xiàn)代有差別。有學(xué)者推論綠巖帶應(yīng)代表早期的基性地殼,即早前寒武紀(jì)洋殼。前面提到了綠巖帶是由沒變質(zhì)或很淺變質(zhì)的表殼巖(火山沉積巖層)組成的帶狀存在的巖石構(gòu)造單元。它們大致可劃分為超鎂鐵質(zhì)巖組(橄欖巖、科馬提巖)、鎂鐵質(zhì)巖組(科馬提巖-玄武巖-長(zhǎng)英質(zhì)雙峰式火山巖)和鈣堿性火山巖組(玄武巖-安山巖-長(zhǎng)英質(zhì)火山巖、沉積巖)。巖石組合與大陸型或島弧型火山-沉積巖更相似。另外大多數(shù)綠巖帶都有古老片麻巖作為基底,這也是它們很難被公認(rèn)為古老洋殼的原因。

目前的研究似乎表明,十億年以來才開始有藍(lán)片巖生成。藍(lán)片巖是玄武質(zhì)的巖石經(jīng)歷了高壓低溫變質(zhì)作用形成的巖石。主要的礦物組合是藍(lán)閃石、硬柱石、綠簾石、斜長(zhǎng)石或石英,因此,藍(lán)片巖含有較多的水。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)表明,藍(lán)片巖是洋殼玄武巖類巖石在洋殼俯沖過程中形成的,這個(gè)過程提供了高壓低溫的物理?xiàng)l件和必要的水。在早前寒武紀(jì)地殼的地溫梯度比較高,因此,很難形成藍(lán)片巖。在中壓變質(zhì)相系的條件下,玄武質(zhì)成分的巖石隨溫度的提高,發(fā)生綠片巖相 角閃巖相-榴輝巖相的變化。這與早前寒武紀(jì)的地體中所發(fā)現(xiàn)的變質(zhì)巖類型相同。

高級(jí)變質(zhì)巖石在早前寒武紀(jì)地殼中廣泛存在,并構(gòu)成了前寒武紀(jì)60%～80%的陸殼(高級(jí)變質(zhì)區(qū))。高級(jí)變質(zhì)巖主要是中壓的麻粒巖相巖石,其溫度壓力主要在0.6～0.9 Gpa和 750～850 ℃[14,15]。1991 年以來,華北克拉通發(fā)現(xiàn)有高壓麻粒巖和退變質(zhì)的榴輝巖存在[16,17],它們的變質(zhì)溫度在750～850℃,變質(zhì)壓力在1.0～1.2 Gpa,最高可達(dá)1.4～1.5 Gpa。高壓麻粒巖和退變質(zhì)的榴輝巖與中壓麻粒巖相比壓力較高,因此,一些研究者提出了陸陸碰撞模式,并認(rèn)為可與喜馬拉雅造山帶相比。但是,高壓麻粒巖和退變質(zhì)的榴輝巖的溫壓梯度約是16～22℃/km,它們?nèi)匀粚儆谥袎鹤冑|(zhì)相系,比大別山變質(zhì)帶的高壓變質(zhì)相系高3～5倍或更多。具有這樣的溫壓梯度的地殼不具備俯沖陸殼應(yīng)有的剛性程度,形成陸陸碰撞造山帶是困難的。Condie和 Kr?ner[18]最近總結(jié)了前寒武紀(jì)的地質(zhì)特征,提出了若干板塊構(gòu)造的識(shí)別標(biāo)志(plate tectonic indicators),大部分板塊構(gòu)造的識(shí)別標(biāo)志都在18億年,特別是10億年以來才出現(xiàn)。早前寒武紀(jì)的主要構(gòu)造機(jī)制可能是以垂直運(yùn)動(dòng)為主形成微陸塊,以有限橫向運(yùn)動(dòng)為主的微陸塊拼合形。深入的研究將會(huì)對(duì)地殼的形成和發(fā)展,以及對(duì)現(xiàn)今的大陸地質(zhì)的研究作出巨大的貢獻(xiàn)。

7 結(jié) 語

在前寒武紀(jì)漫長(zhǎng)的地殼演化過程中,形成了豐富的礦產(chǎn)資源。特別是鐵、金、鈾、鉛、鋅和鉑、稀土等。例如條帶狀硅鐵建造(BIF)是早前寒武紀(jì)的標(biāo)志性礦產(chǎn),以其儲(chǔ)量特別巨大、礦質(zhì)優(yōu)秀,易于選礦、易于勘探、易于開采為特點(diǎn),在成礦作用研究和經(jīng)濟(jì)上都具有舉足輕重的作用。BIF約占世界鐵礦儲(chǔ)量的70%～80%以上,占中國(guó)鐵礦儲(chǔ)量的80%～90%以上。中國(guó)中元古代的白云鄂博超大型稀土-鈮-鐵礦床,在48 km2(16 km×3 km)的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)出了占世界資源量70%的稀土。其形成和大陸裂谷導(dǎo)致的地幔物質(zhì)的上涌與殼慢交換有關(guān)。

此外,前寒武紀(jì)的地質(zhì)演化還與地球的水圈、大氣圈和生物圈的演化密切相關(guān)。加強(qiáng)和深化前寒武紀(jì)地質(zhì)研究,對(duì)地殼的形成和發(fā)展,對(duì)礦產(chǎn)資源、災(zāi)害與環(huán)境問題都至關(guān)重要,希望大家都關(guān)注這一學(xué)科的發(fā)展。

(2010年3月4日收到)

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(責(zé)任編輯：沈美芳)

How to Originate and Evolve for Continental Crust of the Earth—Precambrian Geology：a Mysterious and Interesting Science

ZHAI Ming-guo
CAS Member,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Acade-

my of Sciences,Beijing 100029,China

The Earth is ca.4600 Ma old up to now.545 Ma is a key boundary mark.The epoch greater than 545 Ma is called Precambrian Era,time range of which is about 4000 Ma long.The epoch of 545 Ma is termed Phanerozoic Era.Cambrian is the first geological period of Phanerozoic Era.The 80%～90 %volume of continental crust was formed in Precambrian.Old-age continent crust records complicated and supernatural geotectonic history,and contains abundant mineral resources with enormous reserves.Precambrian geology is a branch of Earth sciences that study geological process and ending in precambrian,including early continent forming and evolving.

Earth,continental crust,originate and evolve,Precambrian geology

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.001