为什么太阳系只有地球有花岗岩?

why do granites only form on the earth in our solar system?

写文章,写错字。

单位:中国科学院地质与地球物理研究所

吴福元,中国科学院地质地球物理研究所研究员、博士生导师、中国科学院院士。

一般来说,太阳系模型是不平衡的,但不妨碍我们对成员和运动情况的理解(图片来自花瓣网)

太阳系由包括地球在内的九大行星组成,其中地球是蓝色的海洋和绿色的大地,区别于其他行星。

从地球科学的角度来说,地球还有很多区别于其他行星的地方,其中花岗岩就是一例。

花岗岩的用途多种多样,图为韩国设计师Kim HyunJoo设计的花岗岩落地灯(图片来自花瓣网)

我们大家都很熟悉花岗岩,它是地球上的一种重要岩石类型。我们很多的风景区实际上就是花岗岩地貌,如安徽的黄山 (图1左)、九华山和天柱山、江西的三清山、山东的泰山与崂山、辽宁的千山、陕西的华山等。我们很多的石材也是花岗岩的,比如国家大剧院装饰用的“夜玫瑰”(图1右) 就是产于山西的一种花岗岩。

当然,花岗岩还与众多的矿产有联系。我国华南钨锡矿的形成就与花岗岩关系密切。实际上,我们人类使用的许多金属矿产都与花岗岩有关。

黄山花岗岩风景及著名花岗岩石材(夜玫瑰)

照片来源:网络资料

花岗岩呈现各种各样的颜色,并具有不同的特征。但从矿物学上来说,它主要由浅色的以硅铝为主要元素的长石 (包括斜长石和钾长石)和石英组成,含少量以铁镁为主要元素的云母与角闪石。地质学家通过百余年的研究发现,花岗岩是组成地球大陆地壳的重要岩石类型;而大洋地壳则与大陆地壳不同[1],它主要由斜长石和镁铁质含量高的辉石和橄榄石等暗色矿物组成,在岩石类型上主要为玄武岩(喷发到地表的火山岩)和辉长岩(侵入到地下的岩浆岩)。

花岗岩分布于陆壳,玄武岩则分布于洋壳。花岗岩的密度明显小于玄武岩。(图片来源于网络)

那么,为什么只有大陆上才有花岗岩呢?

要回答这一问题,我们还需要了解花岗岩的形成过程。我们说,地球是由内部的地核、外部的地幔和表层的地壳所组成,其中大陆地区地壳的平均厚度大约在40km左右[2]。地球在初始形成时并没有地核、地幔和地壳之分,但随着地球的演化,其内部要发生熔融。由于地球的初始物质是富铁镁的,它的熔融只产生玄武质岩浆,形成类似于大洋成分的地壳,但当玄武质岩石再次发生熔融时,它就形成了以硅铝为主要组分的花岗岩,花岗岩的密度要明显小于玄武岩。

各种不同的花岗岩(图片来自网络)

这样,随着地球上大洋板块的俯冲,密度较大的洋壳俯冲进入地幔,而以花岗岩为主要组成的大陆便能长期保留下来。目前见到的大洋地壳,年龄都小于2亿年,而大陆地壳则可老至40亿年。且随着时间的进行,保存的大陆地壳又多次被熔融,使其成分不断向硅铝质增多的方向进行,而残留的镁铁质物质可以通过适当方式返回地幔[3~5]。这种过程反复进行,使地球的大陆地壳不断向稳定的方向发展。可以说,花岗岩的多少是衡量地壳发育程度的重要岩石学标志。

板块俯冲,密度较大的玄武岩洋壳进入地幔,而以花岗岩为主要组成的大陆便能长期保留。(图片来自网络)

根据目前人类所掌握的资料,太阳系内其他行星并没有发现有花岗岩的存在;或者说,花岗岩是地球区别于太阳系内其他行星的重要岩石学标志。这一情形的出现实际上也是与这些行星的演化程度和历史有关。正如前面叙述的那样,花岗岩是地壳演化程度的岩石学指标,正是由于这些行星的地壳演化程度较低,才没有出现地球上出现的花岗岩。如月球,它是除地球以外人类研究较多的另外一个星体。

花岗岩是地壳演化程度的岩石学指标。行星地壳演化程度低,因此无法出现地球上出现的花岗岩(图片来自网络)

从月球陨石和月球返回的样品发现,月球上不存在花岗岩,或者说,花岗岩极为少见。其主要原因是因为月球在经历了早期的岩浆海阶段后便“死寂”了,除了偶尔有陨石来访外,月球上目前不存在什么地质活动。

月球岩浆海阶段后进入死寂阶段,没有发生地壳的分异,整个球体以玄武岩为主(图片来源于网络)

其他天体不存在花岗岩的另一个重要原因是水。在所有的地质过程中,水起着十分重要的作用,如果没有水,所有的岩石都很难发生熔融。而水加入到岩石中以后,可显著降低岩石的熔点,进而使其发生熔融。所以,水是形成花岗岩必不可少的重要组分[6]。地球正是由于水的存在,才使大量花岗岩的出现成为可能,而这是其他星体所不具备的。

水降低了岩石的熔点,进而使其发生熔融。是岩石圈花岗岩和玄武岩分异的必不可少的助力(图片来自网络)

那太阳系外的其他天体中是否也都不存在花岗岩呢?我们现在还不能给出确切的答案。但这一问题十分重要,因为只有演化成熟的天体才有可能出现类似地球上的生命,而寻找到地球以外的生命一直是人类孜孜以求的梦想。

(选自10000 个科学难题·地球科学卷)

参考文献

[1] Pitcher W S. The Nature and Origin of Granite. London: Chapman & Hall, 1997, 1?387.

[2] Christensen N I, Mooney W D. Seismic velocity structure and composition of the continental crust: A global view. J. Geophys. Res., 1995, 100: 9761?9788.

[3] Wedopohl K H.The composition of the continental crust. Geochim. Cosmochim. Acta,1995,69:1217?1232.

[4] Rudnick R L. Making continental cru: 571?578.

[5] Gao S, Zhang B R, Jin Z M, Kern H, Luo T C, Zhao Z D. How mafic is the lower continentalcrust? Earth Planet. Sci. Lett., 1998, 161: 101?117.

[6] Campbell I H, Taylor S R. No water, no granites-no oceans, no continents. Geophys. Res. Lett.,1983, 10: 1061?1064.

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