关于岩石圈的化学演化介绍

[拼音]：yanshiquan de huaxue yanhua

[外文]：chemical evolution of the lithosphere

地球形成以来的地质历史时期中地壳和上地幔化学成分的变化。

原始地壳和地幔的成因

原始地壳和地幔的成因与地球的核幔分异有关。地球在距今约46亿年由围绕太阳的金属、陨硫铁以及硅酸盐的尘云快速吸积而成。在最初的500万年,太阳系所有大的星体都遭受了陨石剧烈的撞击，由于重力塌陷，短寿命放射性同位素的加热，以及巨大的陨石轰击能量积聚，使原地球物质遭受普遍的熔融，在外层形成岩浆海，其厚度可能达到1000公里。重的熔融态的铁镍、陨硫铁以及少量轻元素（氧、硫、硅、氢等）混在一起形成密度很大的液态金属聚积体，并在重力作用下朝向地球的中心集中，形成地核；而较轻的硅酸盐熔体被向外推移，形成硅酸盐地幔。地幔的结晶作用伴随着轻的长石质矿物的上浮，重的铁镁质矿物的下沉。其中非挥发性痕量元素（铀、钍、钡、锶、钽、锆、铪和稀土元素），由于半径大小和离子电荷与地幔的主要矿物不相协调，因此与硅酸盐熔体一起上移，在上地幔和最早的地壳中相对集中。原始地球可能只有很少大气或完全没有大气，后来在熔融灼热状态的核幔分异过程中释放出气体，上升到地球表面，形成原始气圈。从地球内部逸出的气体与周围赋存介质处于化学平衡状态，因此原始大气圈的气体成分和状态受地球物质体系的控制，随地球的化学演化而变化。一般并不认为大气成分是从外星球或宇宙空间捕获的。

太古宙时期的地壳与上地幔

已知最古老的岩石形成于距今约38亿年。世界各地发现的这类古老的岩石都形成于海底水下环境，岩性包括海底沉积岩、海底玄武岩以及硅铁建造。这证明至少在距今约38亿年以前，地球已经有了发育很好的海洋和地壳。太古宙的沉积岩和基底火成岩与现代同类岩石相比，钾和稀土元素含量低（见图）。

太古宙地热梯度略为偏高。太古宙时期的海底热水金属矿床更为普遍。当时地幔具有较高的热产率,这不仅反映在较高的地热梯度，也表现在某些类型的岩浆喷发温度达到1600～1700℃，明显高于现代岩浆的温度（约1200℃）。沉积硅质岩中氧化硅的氧同位素比值表明，原始大洋的温度远远高于现代海洋，说明当时地球存在“温室”效应。地质构造的证据显示，幔源岩浆喷发中心之间的距离比现在的紧密得多，与现在地球比较，古地幔对流圈较小，但更为剧烈。

元古宙后期的岩石圈

从距今约25亿年，即从元古宙时期开始，地壳、海水以及沉积物的成分变得与现代接近。图1中钾／钠比值和稀土总量在距今约 25亿年有一个清晰的转折，因此认为近代模型的壳幔物质对流作用和地球化学旋回始于距今约25亿年。

根据估算，大陆地壳在不同地质时期的面积、厚度和成分等变化列于表1及表2。其中，地壳的厚度，花岗岩组分与角闪岩组分的比例，以及氧化钾的含量等，在元古宙前后有较显著的变化。地球晚期时代（距今20亿年以后）形成的地壳成分具有更强的酸性。因此随时间的演化壳幔物?史忠斐潭炔欢咸岣摺Ｓ氪送贝舐降乜侵酗ǎ缺戎倒媛傻氐菰觥８伙ǖ难沂ㄖ钊缁ǜ谘依嗟龋┲校捎诜派湫燥ㄔ诘刂誓甏胁欢纤ケ?,锶-87积聚越来越富。反映在壳幔演化上，地壳和上地幔的铷、锶平均含量以及铷／锶比值的平均值也有明显差异。现代地幔的铷／锶平均比值为 0.025，而地壳的铷／锶平均比值为0.18，这是地球长时期历史过程中地壳与上地幔化学演化的结果。

上地幔的不均一性

岩石圈是一个开放体系，上地幔长期以来存在着区域不均一性和层状不均一性。主要证据如下：

（1）大洋中脊玄武岩与岛链玄武岩虽然主要成分相似，但微量元素和同位素组成有很大差异。富含微量元素的岛弧玄武岩来自未发生大离子亲石元素亏损的正常地幔源区，而大洋中脊玄武岩来自微量元素贫乏的亏损地幔，铀／铅，锶-87／锶-86，氩-40／氩-36等都显示出明显的差异。

（2）正常大洋地幔放射性元素比大陆地幔的高一倍左右，而大洋软流圈是亏损铀、钍、钾的，甚至比大陆地幔上更为亏损。证明大陆与大洋地幔水平方向上的不均一性。

（3）在一些大洋中脊与热点靠近的地方，火山岩中的同位素组成和微量元素含量常表现出有规律的变化，从热点的高值渐渐下降到大洋中脊的亏损值。这说明可能发生深地幔源岩浆和浅地幔源岩浆的不同程度的二元混合体系，如冰岛和加拉帕戈斯群岛等。

（4）地幔等时线现象是区域地幔长期处于不均一状态的有力证据。

在行星吸积形成过程中存在原始的地球组成上的不均一性，以及地球形成早期的壳幔分异作用，都能导致大陆地幔与海洋地幔的区域性和层状不均一性。而对上地幔，由于板块俯冲将地壳物质带入地幔和来自深地幔的铀、钍等元素通过地幔交代作用带入上地幔也促使了其化学成分的不均一性。

参考书目

1. 涂光炽等编著：《地球化学》，上海科学技术出版社，上海，1984。
2. A.E.Ringwood, Composition and Petrology of the Earth's Mantle,McGraw-Hill Book Co., New York,1975.