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进行中的工作:地球的大陆地壳

地球大陆地壳的历史是什么,它是如何形成的?

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地球的七大洲似乎是坚实的土地,但地质学家知道“坚实”这个词并不准确。那些比海床高出数英里的、由花岗岩构成的浮力地块,其变幻莫测的过去更像是一部慢动作电影,而不是一幅静止的画面。例如,地球熔融内核的热量驱动着地壳板块在其表面移动。这个过程称为板块构造,它在漫长的地质年代里撕裂了陆地,并将它们重新组合成混乱的大陆马赛克。因此,一位地质学家称之为“美利坚合众国”的陆地,是由不少于六个独立的地理省份组成的。

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“如果你站在爱达荷州,你可能脚下的大陆地壳actually形成于澳大利亚附近,现在它被并列在一块形成于俄罗斯附近的地壳旁边,”纽芬兰纪念大学的保罗·西尔维斯特说。

还有证据表明,大陆地壳可以被回收利用,穿过地球内部。地质学家们开始猜测,这种回收是否湮没了地球最早的陆地。当他们试图重建地球的早期构造时,一个问题浮现出来:古代地球上有多少古代地球物质?

简而言之:很少。尽管地球在大约 45 亿年前由星际尘埃和气体凝聚而成,但目前已知最古老的岩石形成于 40 亿年前。幼年地球每 14 小时自转一周,其大气层由二氧化碳、氮气、甲烷和硫组成。它可能分为三层:致密的地核、较轻的地幔和一层稀薄的硬壳。但那层地壳的大部分会被地球内部的翻腾热量以及不时而来的小行星摧毁,小行星会定期蒸发整片海洋,并将温度升高至 1700 摄氏度,持续数千年。

因此,地质学家仅发现了几处 35 亿年前以上的地点,并且这些区域通常小于 300 英里宽,这也就不足为奇了。

“这个时期充满了许多转变,地质记录却很少,”马萨诸塞理工学院的塞缪尔·鲍林说,他几年前在加拿大西北部发现了已知最古老的岩层。

随着地球的冷却和陨石撞击频率的降低,大陆地壳得以更好地保存下来。当地壳反复熔化地幔中的岩石时,会产生轻质的岩浆,并上升到地球表面,从而形成地壳。这种轻质岩石“漂浮”在海洋盆地中较重的地壳之上。它最终在哪里汇聚,取决于洋壳板块的运动,这些板块由地幔的地下搅动而横向移动。当洋壳俯冲到海沟中时,大陆地壳就聚集在它们上方。最终,它堆积在海平面之上,成为陆地。

大陆地壳的平均厚度是洋壳的五倍,而且往往更加古老。已知最古老的洋壳约为 2 亿年,而如今存在的大陆地壳中,一半以上可追溯到约 27 亿年前,当时地球经历了一次前所未有的岩浆爆发。另外三分之一的地壳是在 19 亿年前和 12 亿年前的较小事件中形成的。其余的则更年轻。

随着这个年代史 literally 刻在石头上,地质学家们开始相信大陆是随着时间缓慢形成的,一点一点地增长,花岗岩的生长爆发在地球形成近 20 亿年后才真正开始。但鲍林、西尔维斯特等人开始质疑这种推理。他们从已故地质学家理查德·阿姆斯特朗那里获得了启发,阿姆斯特朗在 20 世纪 60 年代提出,地球在其早期就产生了大量的轻质地壳。阿姆斯特朗受到启发,发现火星等其他类地行星在其历史早期就分化成了地核、地幔和地壳。

“想法是,行星形成后最热,”西尔维斯特说。“如果你把行星看作一个从一大块致密物质中提取这种轻质物质的工厂,你会期望它在早期发生。那时你会期望这些东西从地幔中渗出。它之所以缓慢渗出数十亿年,这从来没有道理。”

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但是,如果地球从一开始就在制造大陆地壳,那么那些非常古老的东西都去哪里了?板块构造提供了一种回收地壳的方式:俯冲,也就是洋壳在海沟中俯冲到地幔的过程。“但没有人知道大陆会如何被俯冲到那些海沟里,”西尔维斯特说。因此,阿姆斯特朗的理论从未被认真对待。

此后出现了大陆地壳俯冲的几种机制。研究表明,从大陆边缘侵蚀到洋壳上的沉积物会以小剂量被带入地幔。俯冲的洋壳也可能像砂纸一样,在下沉时刮掉上方大陆地壳的碎片。当两个大陆板块碰撞时,大陆的底部可能会分离并沉入地幔。大多数地质学家现在都同意大陆地壳会被回收利用——他们只是在回收利用发生在地球历史前 25 亿年中的多少上存在分歧。

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在过去十年中,地质学家们追踪了原始大陆地壳和地幔样品中某些元素的浓度,以确定回收利用可能发生的时间。当地壳从地幔中熔化出来时,这些元素会集中在地壳中,导致地幔贫瘠。但如果地壳被回收利用,这些元素就会重新分布,在地幔岩石和回收的地壳中留下更复杂的化学特征。根据最古老岩层中的这些特征,一些地质学家声称,至少在 40 亿年前,就存在着强烈的回收利用。

最近对澳大利亚西部发现的坚硬矿物锆石进行的测年,也支持了这种可能性。这些矿物被夹在较新的沉积物中,像地毯里的面包屑一样,有些已有 44 亿年的历史。

“这表明我们在很早的时候就拥有了一些大陆地壳,”新墨西哥矿业技术学院的地质学家肯特·康迪说,“但它并没有告诉我们有多少。这就是问题所在。”

最近发现俯冲板块可能比之前预期的更深入地幔,这使得问题更加复杂。这可能会阻止地质学家在原始地壳和地幔之间建立可靠的比较。但即使关于古代大陆地壳的争论日益激烈,地貌本身却在冷却。现在,在其诞生 45 亿年后,地球驱动的重大构造事件已大大减少。在诸如日本和阿留申群岛等岛弧上,新的大陆地壳仍在堆积,但速度非常缓慢。与金星和火星一样,地球正朝着成为一颗死去的行星迈进;它的大陆的鼎盛时期早已过去。

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“你现在生产的地壳越来越少了,”西尔维斯特感叹道。“这有点令人难过。”

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