互动科普

高度停滞的大陆将它们的存在归因于地球的板块构造活动的漫长历史。

也许除了一些遥远岛屿上的居民以外，大多数人都有一种自然的倾向将大陆看作地球的固有的，恒定的乃至特有的地貌。人们容易忘记，世界上的大陆台地只不过是这大部分被水覆盖的行星上的孤立而分散的地块。但是，当从太空中观察时，地球的正确的图景立即变得很清楚，它是一个蓝色的行星。从这个观点出发，似乎十分异常的是，在它整个漫长的历史长河中，地球能够使它表面的一小部分总是保持高于海面，从而（除了其它东西以外）使人类能够在陆地上得以进化。

高度停滞的大陆之持久性只是偶然的吗？地球的复杂地壳怎样能存在下去？它一直是在那里，像一块行星蛋糕上的太占积冰或者长久以来它一直在演化？这些问题已经引起了争论，数十年来这种争论使科学家分为不同阵营，但是这陆地表面怎样形成它现在的形状的极有趣的情节，现在实质上已被解决。引人注意的是，那种认识表明，形成地球大陆所需的条件可能是太阳系中其它星球不可比拟的。

地球与金星的大小和离太阳的距离大致相同，常常被称作姊妹行星。因此，自然地想知道，金星的地壳与我们地球的地壳相比如何。虽然若干世纪以来从地球见望远镜观察什么也未能了解到，但是始于1990年的麦哲伦空间探测器的绕轨道运行的雷达穿透了掩盖着金星的厚厚的云层，并以极好的清晰度揭示了它的表面。根据地形的详细图象，行星科学家能够推测覆盖在金星上岩石的种类。

与相邻星球的比较

我们的姊妹行星似乎被玄武岩成分的岩石——极像地球洋盆上的暗色、细粒岩石——所覆盖。但是，麦哲伦探测器所绘制的图未能发现类似于地球大陆地壳的广阔区域。取名为镁泡石土（AphroditeTer-ra)和Ishtar Terra的上升地区似乎是崩解的玄武质熔岩的残余物。在金星上发现了较小的、半球形冈陵,这些形状可能表明，实质上不同的基岩成分确实存在于某些地方；也有可能，这些薄烤饼形的地貌可能只是由更多的玄武岩组成。

在分析了麦哲伦号探测器所提供的大量雷达数据后，科学家们得出结论，板块地质构造（即是该星球的表面的许多部分连续地形成、运动和破坏）似乎对金星不生效。那里无明显相当于地球的广阔洋中脊或大的深海槽体系的特征。因此，金星的地壳不可能有规律地循环返回到该星球的地幔。那里似乎也不太需要为新的地壳腾出空间：目前在金星上喷发出的熔岩量大致相当于夏威夷一座火山Kilauea的输出量,对于整个星球来说只是一股滴流。

对金星和太阳系中其它固态天体的类似调查所得的这些结果表明，行星的地壳能够很方便地分为三个基本类型。所谓的原生地壳可追溯至太阳系的开始形成。在大量的原始物质碰撞到一个正在生长的行星上，释放出足够的能量以引起原始行星熔化后，它们才出现。当熔岩开始冷却时，有些类型的矿物结晶相对较早地固化，并能与岩浆体分离。例如，在低密度的矿物长石颗粒漂浮到熔融玄武岩的早期月球“海洋”的顶部后，上述过程或许会产生月球的白色高地。由岩石与水、甲烷和氨冰的混合物组成的型外行星的许多卫星的地壳也是从初始吸积期间灾变熔解而出的。

与这种突然的、大规模熔融山幕的产物相反，在放射性元素衰变释放出的热逐渐在行星体内累后才形成次生地壳。这种缓慢加热引起行星的岩层内部的一小分熔化，一般引起玄武岩熔岩喷发火星和金星的表面以及地球的洋,均是由这种方式产生的次生地壳覆盖。月球海（古天文学家的海）由源于月球内部深处的玄武岩熔形成。外太阳系的某些冰冻卫星上的放射性热——或者由潮汐力所引起褶曲的热一一也可能已产生次生地壳。

与这些比较普通的类型不同，如果表层返回到地质活跃行星的地幔中，所谓的第三代地壳可以形成。如像连续蒸馏一样，其后火山活动能够导致其组成不同于玄武岩——更接近于浅色的火成岩花岗岩的组成——的高度分化的岩浆的产生。因为产生花岗岩岩浆所必须的循环只发生在板块构造在起作用的行星上，所以这样的组成在太阳系中是罕见的，在地球上大陆地壳的形成可能是它的唯一的证明。

尽管在每个范畴内都只有少数的例子，但是似乎容易得出关于行星表面发生的一条普遍规律:在初始、次生和和第三代地壳形成的速度方面有明显的差异。例如，月球仅需数百万年就能产生它的白色、富长石的初始地壳——约相当于月球体积的12次生地壳演化得慢得多。月球的玄武岩海（次生地壳）只是数百米厚，只占月球体积的千分之一，但是这些所谓的海需要十亿年以上才能形成。次生地壳的另一个例子，我们行星的玄武岩洋盆(它构成地球物质的约千分之一)是经过约2亿年才形成。虽然这些速度已经是很慢的，但第三代地壳的形成甚至更加低率效。地球已经历了数十亿年才形成了它的第三代地壳——大陆。但是这些地貌只占该行星物质的0.5%。

漂浮的大陆

许多元素在地球的其它地方存在极少，但在花岗岩中却很丰富，这种现象使大陆地壳的重要性与它的细小的质量不成比例。但是地质学家们尚未能通过直接观察来估计地壳的总的组成——这对于研究它的起源和进化是必须的起点。一种可想象的方法可能是对露出地表的岩石现有的作图进行汇编。但即使这样大量的信息也很可能被证明是不充分的。可以足够深入地壳以获得有意义的样品的大规模勘探计划将冲击现代钻井技术的限制，同时无论如何其费用将是过分的高昂以致难于实现。

  幸好，一个较简单的解决办法即将产生。通过沉积物的侵蚀和沉积，自然界已完成了广泛分布的采普通的泥浆(现在变成了坚固的岩石)对已暴露的大陆地壳提供一个意想不到的极好的一般组成。但是，这些样品中缺乏如钠和钙之类可溶于水的那些元素。从地壳转移到沉积物中而未改变其相对丰度的不溶性元素是14个稀土元素，被地质化学家称为REE。这些元素特征在解释地壳组成方面特别有用，因为它们的原子与大多数普通矿物的晶体结构不能很好配合。它们往往代之以被集中干形成大部分大陆地壳的冷却岩浆的后期形成的花岗岩产物中。

因为存在于许多沉积岩中的REE模式是如此的相似，所以地质化学家们推测，风化、侵蚀和沉积必定足够有效地混合不同的火成岩源以产生大陆地壳的总体试样。REE族的所有成员构成上部地壳组成的特征，并以这种元素丰度模式的形式保存了可能影响的地壳组成的火成事件的记录。

用这些地球化学示踪物，地质化学家们已测定了例如大陆地壳的上部组成近似于一种普通的火成岩，即大体上由浅色的石英和长石以及如雨点般分布的各种暗色矿物组成的花岗闪长岩。在大陆地壳内的深处，约10至15公里以下，更多的玄武岩组成的岩石或许是普遍的。这些材料的精确性质仍然有争议，地质学家当前通过测量地壳内由重要的放射性元素钾，铀和钍所产生的热量来检验他们的想法。但是，至少部分这种不能达到的和不可思议的地区可能是由陷入和垫于低密度大陆下面的玄武岩组成似乎是合理的。

低密度是花岗岩的物理特性，它能解释为什么大部分大陆未沉没。大陆地壳平均高出海平面125米，约15%的大陆面积的高度达到两公里以上。这些很大的高度与海底的深度成鲜明的对比，后者平均约在海平面以下4公里——是它们下面衬有主要由玄武岩和薄层沉积物组成的致密的海洋地壳的直接后果。

在地壳的底部存在着所谓的莫霍不连续面(一个绕舌的名字，地质学家们总是缩写为“莫霍”(Maho)。这样深的表面标志着富含橄榄石矿的极致密岩石组成的根本变化，在好个地方这种岩石都位于海洋和大陆的下面。用地震波进行地球物理研究已追踪了全球范围的莫霍面。这种研究还表明，大陆下的地幔可能是永久性地附着在顶部。这些相对冷的地壳下的“龙骨”可能是400公里厚，而且似乎在它们的板块构造漂移期间随大陆而浮动。对存在于钻石内的细小矿物包含物的分析支持这一概念，据认为钻石起源于地壳下区域的深处。测量表明，钻石可能是长达30亿年之久，因此证明深层大陆根的古老。

想想下列事实是很奇怪的:不到40年前，没有证据表明存在洋盆下的岩石根本不同于存在于陆地上的岩石。海洋被单纯地认为是以陷落或沉浸的大陆为其洋底的。这种理解是从下述概念很自然地产生:大陆地壳是环绕全球的一个特征，它是在最初的熔融行星上作为一种浮渣而出现的。虽然现在看来可以肯定，地球事实上熔化得很早，但似乎原始花岗岩地壳这种数十年前假设的一种岩石，实际上从未存在过。

地质多样性的演化

两种如此明显不同的地壳（大陆和海洋）是如何得以升到地球上来的？为了回答这个问题，人们必须考虑到太阳系最早的历史。在地球轨道所占据的原始太阳星云的地区，绝大部分气体都被驱散，只有足够大的岩石残块在强烈的早期太阳活动中残存下来而得以积累。这些物体本身在最终聚在一起形成我们的地球以前，必须通过吸积而增长，这一过程大约需要5千万至1亿年。

在这个形成阶段的末期，一颗大质量的星子（或许有火星大），碰撞到已近于完全形成的地球上。这个碰撞体的岩石地幔被射入轨道并变成月球，而该物体的金属核心落入地球[参见《科学》。1994年11期，G.Jeffrey Taylor所著‘阿波罗计划的科学遗产’一文]。不出所料，这一事件被证明是灾难性的：它全部熔化了新近形成的地球。当地球以后冷却和固化时，一个星期的玄武岩地壳或许形成。

很可能在这个阶段，地球的表面相似于目前金星的外貌。但是，所有这种最初的地壳都未残存下来。它或者以相似于它在地球上发生的方式沉浸于地幔中，或者在局部的团块上堆积，直到它的厚度足以转换成较致密的岩石而沉没，究竟发生的是其中哪一种过程仍然强不确定的。无论如何，在这个早期阶段，没有真正的花岗岩地壳的证据。这种地壳时指示证据以散在性锆石矿物颗粒的形式而保存下来。这种锆石颗粒在花岗岩内形成，并对侵蚀作用有极大的抗性。显然已发现了少数起源于近这个时期的古锆石(最老的作品来自澳大利亚的沉积岩，已有约42亿年之久），但是这种颗粒是极其罕见的。

关于早期地壳的更多信息来自已完整残存下来的最古老的岩石。这些形成于地壳深处的岩石具有刚好不到40亿年的历史。现在在加拿大西北部露出地表。这种岩石的构造被称作Acasta片麻岩。在全世界的若干地点已有资料证明早期地壳的稍微年轻的样品，可是这些古老构造的最佳研究是在格陵兰西部。那里的沉积岩丰度表明，在这个遥远的时代存在流水和或许存在真正的海洋。但是即使这些来自加拿大和格陵兰的极古老的岩石其时间也是在地球最初吸积后约4至5亿年，这样就在地质记录上留下了一个无疑是因严重破坏地球最老地壳的大规模的碰撞而造成的空白。

根据保存在沉积岩中的记录，地质学家们知道，大陆地壳的形成是在整个地球的漫长历史中都在进行的过程。但是，地壳的形成并非总是有相同的特征。例如，在约25亿年前，在太古代与元古代之间的边界上，岩石记录发生了明显的变化。在发生这种断裂之前上地壳的组成含有较少离析的成分，是由玄武岩和富钠花岗岩的混合物组成。这些岩石构成了所谓的英云-奥长花岗-花岗闪长岩即TTG套，这种组成与富钾花岗岩为主的现存的上地壳大有区别。

25亿前年地壳组成之极度变化的原因似乎与地球的板块构造的搅动相联系。在这个时期以前，由于存在的放射性较高和更强烈的加热往往驱动更快的板块构造引擎，所以海洋地壳被更快地循环。在太古代期间可能有100多个分离的板块，相比之下目前只存在十来个板块，与现在的海洋地壳不同——它在沉没回地幔之前移动很长的距离，并显著地冷却——在这较早的时代，海洋地壳存在的时间短得多。因此当它进入地幔中时仍然相对较热，这样与现在一般发生的情况相比，开始熔融的深度较浅。这种差异能解释TTG套富钠火成岩的形成；这种岩石现在只在较年轻的，热海洋地壳潜没的少数地方形成。

岩浆较早趋向于与TTG组成一起形成，解释了在太古代期间地壳为什么作为玄武岩与英云闪长岩的混合物生长，在这时大量的大陆地壳——至少50%，或许多达70%——随着在30至25亿年前之间生长的主要活动幕而出现。从那时以来，洋盆和大陆台地的相对高度已保持比较稳定。随着25亿年前元古代的开始，地壳已呈观许多它现在的组成，同时现代板块构造循环开始。

现在，洋壳是通过沿洋中脊的环球网络的玄武熔岩的喷发而形成的。在这一过程中每年产生18立方公里以上的岩石。新近形成的地壳的片块重叠在地幔外层的顶部，与其共同构成刚性的岩石圈。这种海洋岩石圈在所谓的潜没带沉没回地幔，在洋底以深海槽的形式留下鲜明的疤痕。在这些地点，下降的岩石圈片块将湿的海洋沉积物以及玄武岩搬运潜入地幔。

在约80公里深处，热量将潜没的沉积物中的水和其它挥发成分驱入上覆的地幔。然后这些物质就起着铸造车间内使用的助熔剂的作用。在较低温度下引起周围物质的熔融。以这种方式产生的岩浆最终达到地表，在那里它引起壮观的、爆发式的喷发。皮纳图博和圣海伦火山是这种地质灾变的两个新近的例子。火山的大山脉——如安第斯山——以沸腾的挥发物为动力，平均每年向大陆加入约2立方公里的熔岩和灰。

但是潜没引起的火山不是新的花岗岩石的唯一来源。大陆地壳内的深处热量积累的本身能够引起熔融，所得的岩浆最终将移到地表。虽然这种必须的热量可能部分来自放射性元素的衰变，但是更有可能的来源是从地幔深处升起的玄武岩岩浆，这些岩浆落入花岗状项盖之下；然后这种熔融岩石起作煎锅下的炉子的作用。

地壳的生长喷射

虽然在大陆地壳形成中最惊人的变化发生在25亿年前太古代的末期，但在整个所有的地质时期，大陆似乎都经受过了活动幕的变化。例如，大陆地壳很大的、后来的添加物发生在20至17、13至11和5至3亿年前。地球的大陆经历这样一种时断时续的演化初看起来似乎是违反直觉的。如果内部热量的发生——以及通过地球循环而释放——是连续的过程，地壳到底为什么应以喷射的形式形成。

更详尽的理解板块构造将有助于解开这个谜。在二迭纪时期（约2.5亿年前）地球的主要大陆集中在一起，产生称为潘基亚的一个巨大的地块[参见1995年5期《科学》,Ian W.D.Dalziel所著‘潘基亚前的地球’一文]。这种地形不是独特的。这种“超大陆”的形成似乎以约6亿年的间隔再现。将大陆分开和合并的主要构造循环已被资料证明远在元古代初期就存在，甚至表明，第一个超大陆还更早，在太古代时期就形成。

这种大规模的构造循环起作调节地壳生长速度的作用。当超大陆本身分裂开时，海洋地壳是其最老的，因此最有可能在它潜没后形成新的大陆地壳，当各个大陆再聚合时，火山弧（在潜没带附近产生的火山弯曲链）与大陆台地相碰撞，随着弧岩被加入到大陆的边缘，这种活动幕就把新地壳保存下。

40多亿年以来，移动的大陆已从许多无联系的地块间断地组合在一起。很大一部分地球历史的最后保存的证据被埋在这一过程所形成的许多混乱的片段那样的岩石组合成的情节已花费了一些时间才弄清其头绪。但是，对地球起源和演化的了解现在足以表明，在所有的行星中，地球显得真正是个例外。通过自然的一次幸运的偶然事件——能够保持板块构造活动——只有一颗行星能够产生我们发现在其上居住是如此方便的相当大的稳定的大陆地壳块。