Question

岩石在地球上的分布

Answer 1

除外地核和极少量赋存于地壳或上地幔中的熔/流体外，地球主要是由固态物质组成的。在陆地，表层沉积岩的体积分数约占66%，其余的火成岩和变质岩大约各占一半。在大洋下面，沉积物和沉积岩形成薄层状覆盖在下部的火成岩和变质岩之上，后两种岩石组成了大洋地壳的主体。

1.地球内部结构及其组成

1）地球的形成与分异作用

地球是太阳系中的一个行星，它与其他行星一起围绕太阳旋转并具有相同的旋转方向和近似相同的轨道面。太阳系的行星可分为两大类，一种是类地行星（terrestrial planets），它们的个体小，由密度大（4～5.5g/cm³）的石质物质组成，包括水星、金星、地球、火星和冥王星；另一类是巨型行星（giant planets），它们个体大，由密度低（0.7～1.7g/cm³）的气体物质组成，包括木星、土星、天王星和海王星，其特征更近似于太阳，与类地行星有较大的差异。根据对地球、月球及降落于地球的陨石样品的研究，类地行星的组成中O、Fe、Si、Mg所占的质量分数为90%，而巨型行星和太阳的组成中H与He的质量分数占99%。

地球是一个演化的行星，从原始物质均一的球体，经分异演化成为具层圈构造的行星，这个过程直接与大气、海洋、大陆、山脉、火山和磁场的作用相联系。大约在47亿年（4.7Ga）之前，微行星已经发生物质的凝聚、堆积和增生，主要是Si、Fe、Mg的氧化物和其他的化学元素。它们在凝聚时是冷的。在地球演化的过程中，由于①增生过程中外界行星物质对地球发生撞击的动能转化为热能和②地球本身重力压导致体积缩小使得内部加热以及③放射性元素衰变产生的热能综合作用导致地球由冷变热。根据Hanks和Anderson对地球早期温度的模拟计算（图1-1），在地球形成10亿年（1Ga）以后，在地球内部的400km至800km处，温度已达到铁的熔化温度。由于Fe是组成地球主要元素中最重的，当它发生熔化后，则形成大的液滴并向地球的中心下落，同时那里的轻物质上升。据估算Fe占地球质量的1/3，Fe的熔化和下沉形成了地核，同时释放出了巨大的重力能，这些重力能最终转化成了热能，这与水流的落差转变为电能的原理类似。在铁质的地核形成时，地球的平均温度上升至2000℃，导致地球内部大部分物质开始熔融，地球开始了均匀的分异作用阶段。被熔化的低熔点组分即较原始物质密度小者向上浮动，形成了原始的地壳，在地核与地壳之间是以Si、Mg质为主的地幔。地球形成了层圈构造，同类的物质大致位于相同的深度。地壳的形成最终发展成为大陆。

图1-1 不同地质历史时期，地球内部的温度

地球上大洋的形成和去气作用也是地球分异作用的一个重要部分。最初水不是呈自由状态存在的，而是呈（OH）根赋存于矿物之中（如云母类），当地球内部温度升高并发生熔融时，水从中释放并伴随熔融的岩浆喷出地表，形成蒸气，并逐步降于地表，形成占地球表面积70%的大洋。伴随水蒸气逸出的还有其他的气体，它们成为大气圈的组分。

地球的形成与分异是一个复杂的过程，不同学者对阶段的划分、内部温度的变化、原始凝聚等问题还存在有不同的认识。上面介绍的只是一个简单的轮廓，有兴趣者可参阅有关参考书。

2）地球的层圈构造

分异后的地球具有层圈构造。根据地球物理的资料，地球可划分为3个一级的层圈：地核、地幔和地壳，其中地核占地球总体积（1.083×10²¹m³）的16.2%，地幔占83.2%，地壳占0.6%。在3 个圈层之间分布有明显的地震波速突变的不连续界面（或带），三个层圈化学成分有显著差异，因而上述不连续界面主要是由化学成分差异造成的。各层圈内部还可以再进行分层。地核和地幔内部的分层界面主要是由物理作用，即由温度、压力的变化使矿物发生了相变而造成的。地核进一步分为内核与外核，它们主要由 Fe 元素组成，Si、Ni 为次要组分。其中，外核呈液态存在，因为温度和压力条件使 Fe呈熔融状态。地核与地幔之间的界面为古登堡不连续面（Gutenberg discontinuity）。地幔可进一步划分为上地幔、过渡带及下地幔三部分，它们都是由富 Mg 的岩石所组成的。上地幔与过渡带的界面与橄榄石相变为 β 相尖晶石的深度一致（400km）；过渡带与下地幔的界面则与矿物转变为具钙钛矿结构的深度一致（640～670km）。地幔与地壳之间的界面称为莫霍洛维奇不连续面（Mohorovicic discontinuity）或简称莫霍面（Moho）。地壳的组成比较复杂，总体上是由长石和其他硅酸盐矿物组成的，但有些部分是富Fe、Mg的硅酸盐，传统上称为硅镁层，大洋地壳是由硅镁质组成的。大陆地壳上部是由富Al的硅酸盐组成的，传统上称为硅铝层，但大陆地壳的下部，成分复杂，可以有硅铝质及硅镁质两种组分为主的火成岩及变质岩同时并存。地球的层圈构造见图1-2。图右为放大的上地幔与地壳。

图1-2 地球的层圈构造示意图

从图1-2中可以看到大陆地壳组成复杂，厚度平均为33km；海洋地壳组成简单，厚度平均为10km以下。岩石圈（lithosphere）是近30多年来流行的板块学说所划分出来的由地壳及上部地幔组成的构造层，它们具有刚性特征。岩石圈的厚度在图中显示为150km，但在不同的构造单元有变化，可以由60km至200km以上。软流层（asthenosphere）为具有高温塑性特征的层圈，它们之中不仅有固态的地幔岩石，而且含有地幔部分熔融的熔体，因此软流层具有低的地震波速。软流层厚度也有变化，在有些稳定地区如地盾（克拉通）不出现软流层，因而在地震剖面上难以显示。软流层的底界在图中显示为640km，有些人将其确定为670km，相当于过渡带与下地幔的界线。图的左下部表示了由地表至地核温度及压力概略的增长曲线。在近地表处地温随深度增加很快，即地温梯度大；在地幔内部曲线斜率变缓。横向上，不同的构造部位地温梯度有差别，在火山活动带如岛弧火山区为30～500℃/km或更高一些，而在大洋海沟处，地温梯度仅为5～10℃/km。稳定大陆区的地温大体介于上述两者之间。地球内部压力在正常的情况下，可以通过物质的密度来估算：

岩石学

式中：ρ——密度；g——重力加速度，h——埋深。

在地壳范围内，压力与深度的关系为深度每增加3.3km时，压力增高0.1GPa。

2.三大类岩石在地球表层的分布

本节以板块构造学说为基础来介绍三大类岩石的分布。

板块构造学说是20世纪60年代初期兴起的构造理论，尽管它在解释大陆构造及地质历史时期的构造作用时尚存在明显的不足，但迄今为止仍不失为是解释全球构造的最佳学说。本节根据板块构造学说最基本的概念来介绍三大类岩石在不同构造部位的类型及组合的概况（图1-3），目的是使初学者对岩石的分布建立起整体的框架。详细的介绍见本教材的第五篇。

图1-3 不同板块部位的岩石组合图解