地球的硅酸盐地壳是太阳系中独一无二的，
它的形成一直是个谜。
2024年5月8日
Nature
杂志
发表最新文章，模拟研究发现
地壳增厚无法解释新太古代时期大量花岗岩的形成。该研究提出大陆出露海平面后，风化作用将铀、钍和钾等生热元素富集到沉积物中，这些沉积物随后被构造活动带到地壳深部，为地壳熔融提供了热源，最终促使克拉通稳定。
本研究创新的将地表风化作用与大陆内部的地质过程联系起来，为理解地球早期演化提供了重要线索。
地球的硅酸盐大陆地壳是太阳系类地行星中独一无二的，对行星的宜居性至关重要。
克拉通是大陆地壳中最持久的部分，约占地球大陆地壳的50%，但其稳定机制一直是个谜。
在距今30到25亿年前的晚太古代和新太古代时期，地球上形成了大片高度分化的地壳。
这些地壳含有丰富的富含铀、钍和钾的花岗岩，这些火成岩的形成代表着大陆地壳稳定化的最后阶段。
长期以来，科学家们普遍认为，克拉通的稳定化是由于地幔柱撞击、岩石圈反转、地幔对流或地壳增厚等地质过程导致地壳深部加热，进而引发地壳部分熔融。但这些模型都无法解释新太古代时期克拉通形成的所有地质特征。例如，一些研究表明，地幔岩石圈的形成早于新太古代的花岗岩形成，而地幔柱撞击或对流不稳定性会破坏这种岩石圈根，因此地幔加热不太可能是地壳熔融的热源。
为了解决这一难题，研究人员从地表风化作用入手，
将地表风化作用与大陆内部的地质过程联系起来，
提出了一个全新的克拉通稳定化模型，
为地球太古代时期（40-25亿年前）大陆稳定机制的形成提供了新的解释，
为理解地球早期演化提供了重要线索，改研究成果2024年5月8日发表于
《
Nature
》杂志。
研究人员首先利用岩石地球化学数据，计算了太古代时期不同类型岩石的生热率。
为了进一步验证他们的假设，研究人员建立了一维热模型，模拟了地壳增厚过程中，由于传导弛豫和放射性生热对地壳热结构的影响。
他们在模型中考虑了不同类型的岩石的生热率，以及沉积物埋藏深度和厚度等因素。
图1:
太古代末期克拉通地质演化
结果表明，如果太古代地壳仅由花岗岩-绿岩地体组成，即使地壳增厚，也无法产生足够的熔融来解释新太古代时期大量的花岗岩形成。
太古代花岗岩-绿岩地体的生热率不足以导致大规模地壳熔融。
研究人员通过岩石地球化学数据计算发现，太古代时期以钠长石为主的花岗岩-绿岩地体的生热率远低于新太古代时期富含钾和铀、钍的花岗岩，这意味着仅靠地壳增厚无法解释新太古代时期大量花岗岩的形成。
图2：太古宙岩石产热速率
然而，如果将富含生热元素的沉积物纳入模型，则可以引发地壳深部的大规模熔融，并形成新太古代时期典型的富钾和过铝质花岗岩。
富含生热元素的沉积物可能是新太古代时期地壳熔融和克拉通稳定的关键。 研究人员的热模型表明，如果将富含铀、钍和钾的沉积物埋藏到地壳深部，这些沉積物的放射性衰变产生的热量足以引发大规模地壳熔融，并形成新太古代时期典型的富钾和过铝质花岗岩。
图3：新太古代增厚地壳热演化
大陆出露海平面及风化作用是沉积物富集生热元素的关键。 大陆出露海平面后，风化作用将铀、钍和钾等生热元素富集到沉积物中，这些沉积物随后被构造活动带到地壳深部，为地壳熔融提供了热源。
图4: 陆上风化作用驱动克拉通化
地壳熔融导致生热元素重新分布，促使克拉通稳定。 熔融形成的花岗岩富含生热元素，迁移到地壳上部，使得地壳下部被消耗殆尽，从而降低了深部地壳温度， 加强了岩石圈，使其不易变形，最终促使克拉通稳定。
新太古代时期地球高放射性生热率为克拉通形成提供了有利条件。
本文的创新点在于将地表风化作用与大陆内部的地质过程联系起来，为理解地球早期演化提供了重要线索。大陆出露可能与地幔柱活动无关，而是由其他地质过程驱动，例如地幔岩石圈的叠置。
该研究成果解释了新太古代时期大陆地壳分异和克拉通稳定化的原因。在太古代早期，地球的放射性生热率比现在高得多，而沉积物中富含的生热元素为克拉通的形成提供了充足的热能。
这项研究为我们理解地球早期大陆的形成和稳定机制提供了新的视角，并突出了地表过程对地球深部演化的重要影响。
论文信息：
Reimink, J.R., Smye, A.J. Subaerial weathering drove stabilization of continents.
Nature
(2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07307-1
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