中国科学院大学研一课程大陆地壳演化考试资料整理.docx

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中国科学院大学研一课程大陆地壳演化考试资料整理

要点1陆壳的起源

1地球的形成年龄和前寒武纪地质年表

地球形成年龄为45.67亿年

2月球的启示

月球起源的三种学说

一、分裂说——认为月球原是地球赤道区的一部分。

在太阳系形成初期，所有的行星都处在高温熔融且高速自转的状态。

由于离心力的作用，有些部分被从行星上甩了出去，形成卫星。

月球也是这么来的。

但是据现代科学家们的模拟计算，地球诞生时的离心力只不过是现在的4倍，不可能将这么大质量的物质抛出去。

分析月岩样本也能发现，月球和地球的化学成分有很大不同。

二、同源说——认为月球和地球是从同一块原始星云中分别凝聚成团诞生的。

但是它也同样面临着化学成分不同这一难题。

三、俘获说——认为月球原来是一颗离地球不远的小行星，受地球引力吸引成为围绕它转动的卫星。

这一说法较好地解释了上面的难题，但也存在着明显缺陷。

地球的体积和质量并不比月球大多少，要俘获它并不是件容易的事。

月球的年龄：

通过地球与月球的对比，一般认为它们都形成于45－46亿年前后，月球最古老岩石4.456Ga

月壳的组成：

月壳辉长岩＋苏长岩＋斜长岩高地（4－4.4Ga），高地之间是月海玄武岩（3.8-3.3Ga），高地的岩石类型主要由斜长岩（Anorthosite）和辉长岩（gabbro）组成，

月球的结构核、幔、壳撞击构造：

月海，就是陨石冲击坑，主要的岩石类型为玄武岩

月球的演化：

岩浆海学说：

月球表面熔融成岩浆海（44亿年）～～～分异成三层壳慢结构：

斜长岩层、富钛铁矿层、低钛橄榄辉石岩层（43亿年）～～～富钛铁矿层下沉至月幔（39-41亿）年

3地球先有陆还是先有洋

地球最古老的物质锆石，～4.4Ga（JackHills,Australia）

地球最古老的岩石长英质片麻岩，～4.1Ga（Acasta,Canada）

最古老的成规模的陆壳：

片麻岩＋表壳岩，～3.8Ga（Greenland）

锆石-比较好的定年办法：

形成于岩浆、变质以及热液条件下

U和Th含量高、Pb含量低

重要的U-Pb定年矿物以及Lu-Hf同位素测定

有较高的封闭温度

可有岩浆生长环带和变质环带或交代环带

原位分析会得到多个年龄和不同阶段的信息

锆石形态学和地球化学是区分不同成因的锆石的重要手段，有助于合理的解释锆石年龄的地质意义

根据锆石的REE含量和长英质熔体和锆石之间元素的分配系数，可以估算母岩浆REE含量。

根据LREE富集HREE亏损的老锆石计算所得的熔体成分具有太古宙花岗岩的特征（TTG，Martinet.al.，2005）。

如JackHills的锆石具有的稀土特征与Acasta片麻岩（TTG）相同（Hoskin,2005）。

因此，JackHills锆石结晶于TTG类的长英质岩浆。

JackHills锆石具有环边结构，指示在4.4－4.0Ga之间经历了改造（重熔re－melting）。

这也暗示Hadean大陆具有足够的稳定性，可以被岩浆和沉积过程所改造

氧同位素测量结果（d18O=5.4-15）计算所得其母岩浆氧同位素为d18O=7-11（Mojzsisetal.,2001;Pecketal.,2001;Wildeetal.,2001）。

从而认为这些锆石包含与液态水在地表或者近地表相互作用的地壳物质。

这些数据的重要性在于它们指示早在4.4Ga的Hadean时期，液态水（海水？

）可能存在于地球表面。

另外，也指示在石榴石稳定域内，TTG类岩浆的起源来自于变玄武岩的含水熔体（Martin,1986;Martinetal.,2005），暗示水圈的存在

总之，JackHills锆石说明早在4.4Ga就存在与TTG类似的大陆地壳并且在整个Hadean时期被持续的产生和改造。

地壳也是稳定的并足以经受陨石的冲击。

另外，锆石氧同位素组成和Hadean地壳成分（TTG）都支持Hadean时期地球表面存在液态水，这也是讨论早期生命存在和发展的强有力的根据。

JackHills锆石年龄（4404±8Ma）的意义

Ø根据锆石的REE含量和长英质熔体和锆石之间元素的分配系数，可以估算母岩浆REE含量。

根据LREE富集HREE亏损的老锆石计算所得的熔体成分具有太古宙花岗岩的特征（TTG，Martinet.al.，2005）。

如JackHills的锆石具有的稀土特征与Acasta片麻岩（TTG）相同（Hoskin,2005）。

因此，JackHills锆石结晶于TTG类的长英质岩浆。

Ø锆石中存在石英、长石、角闪石、黑云母、独居石的矿物包体，这些矿物和锆石同时结晶，是典型的花岗质岩石矿物（Wildeetal.,2001;Cavosieetal.,2004）。

花岗质岩石是大陆地壳的主要成员，因此可以推断大陆地壳在4.4Ga已经存在。

ØJackHills锆石不仅仅记录4.4Ga的年龄，还记录了几次大陆地壳产生的事件。

在锆石年龄频率柱状图中显示4.4、4.25、4.2、4.0Ga的地壳生长事件（Cavosieetal.，2004）。

据此可以推断Hadean大陆地壳的生长持续了400Ma。

4最古老的陆壳

38亿年的地幔亏损：

这种强烈亏损的地幔只存在3800Ma以前

强烈亏损地幔的出现暗示地球在早期或者有过强烈的陆壳形成时期或者存在类似于月球的岩浆海式的陆壳形成过程

反映在3800Ma以后存在有弱亏损地幔或者LREE富集的大陆地壳物质的混合。

38亿年陆壳的组成

TTG的意义:

ØTTGisthewidespreadcompositionoftheArchaeancrustbetween3.8and2.5Ga,crustwhichisconsideredasgeneratedbyhydrousbasaltmelting,possiblyinsubductionlikeenvironment（Martinetal.,2005）.

ØTheagesobtainedontheAmitsoqgneissesindicatethatasearlyas3.87Gaago,thesemechanismswerealreadyactiveandefficient,abletogeneratethehugevolumesofcontinentalcrustobservedatAmitsoq.

基性岩

表壳岩的意义:

TheIsuaandAkiliasupracrustalrocksareextremelyimportant,becausetheyrepresenttheoldesthugevolumesofrockssofarrecognized（Nutmanetal.,1996）,butalsobecause:

ØTheycontainsediments,thusdemonstratingtheexistenceofahydrosphere（ocean？

）asoldas3.87Ga.

ØTheoriginofsedimentshasbeensubjecttoactivediscussion.

●Purechemicalorigin,ortransformation（metasomatism）ofpre-existingmagmaticrocks（Roseetal.,1996;Fedo,2000;Fedoetal.,2001;2002;Myers,2001;Bolharetal.,2004）.

●SomepartsofIsuasupracrustalscorrespondtotrueclasticsedimentsofmixedmaficandfelsicprovenance.Theweathering,erosionandtransportoftheclastsarestrongargumentsinfavourofemergedcontinentsasearlyas3.87Ga（Bolharetal.,2005）.

38亿年陆壳及其地质意义?

至少从3800Ma开始，地球就已经开始发育一定规模的陆壳，只是由于后来受多次的变质、变形、岩浆和地外物质撞击作用的影响，使这些早期陆壳变得支离破碎（陆核？

）抑或循环进入地幔，从而现在难以准确估计它的形成量。

要点2早期陆壳的性质

1早期陆壳的岩石-构造单元（克拉通分为高级区和绿岩带）

高级区:

又称为太古宙麻粒岩－片麻岩区（带），岩石经受了高级变质作用，主要由片麻岩以及麻粒岩组成，它们提供了有关深部地壳演化的关键资料

特征：

片麻岩（TTG和花岗质）＞80％；层状岩体（斜长岩－辉长岩组合、辉长岩－超镁铁质岩组合）；少量高级变质的表壳岩；高级变质作用；穹隆构造；可强烈变形为条带状、眼球状片麻岩，高应力域和低应力域

绿岩带：

太古宙绿岩带保存的最古老的火山沉积盆地，一般未变质或浅变质，它们以向斜状出现，并被花岗岩侵入又称花岗岩－绿岩地体（带）

特征：

表壳岩组合（火山－沉积岩系），三段组合，科马提岩；低（未）变质作用；变形的向斜构造；花岗岩侵入；有片麻岩基底（或者不清楚）

高级区与绿岩带的关系？

关键难题：

有片麻岩基底（或者不清楚）

二者同时：

蛇绿岩与岛弧、弧后盆地

高级区老于绿岩带：

造山带与古老陆块

绿岩带老于高级区：

古老洋壳转化为陆壳

2主要的岩石类型

块状（侵入）岩类型成因

层状岩石:

前寒武纪层状岩体:

斜长岩

太古宙层状岩体:

斜长岩-辉长岩组合

辉长岩-超镁铁质岩组合

元古宙层状岩体:

斜长岩（anorthosite）最早由Hunt（1863）提出，指的是以斜长石为主的岩石。

目前定义的斜长岩指斜长石含量>90％的侵入岩。

未发现与其成分相对应的火山岩斜长岩-辉长岩（含钛铁矿）

目前普遍认为,月球斜长岩形成于月球的早期分异过程（>4.4Ga）,为漂浮于早期“岩浆海”之上的斜长石堆晶体（Jamesetal,1989）。

此外,斜长岩在火星、金星及水星上可能也有分布（Ashwal,1993）。

虽然斜长岩在地球的各个地质时期（从4.4Ga前至现在）均有出现,然而巨晶斜长岩（太古宙）、岩体型的斜长岩（元古宙），具有明显的时限性。

有关斜长岩成因和地球动力学等问题的解决,对于揭示行星地质演化过程、不同阶段的壳-幔作用特征等有重要意义。

类型岩石学特征

4种重要的岩石类型

TTG片麻岩：

又称为“灰色片麻岩”（greygranulite），是由奥长花岗岩（trondhjemite）、英云闪长岩（tonalite）、花岗闪长岩（granodiorite）三种成分组成的片麻岩组合。

TTG片麻岩绝大部分产于前寒武纪（尤其是太古代和元古代），对前寒武纪期间地壳的生长贡献极大。

高钠质，通常Nd同位素初始值较高，不可能直接由地幔岩的部分熔融所形成，可能是基性岩石部分熔融所形成，残留物有石榴石和角闪石或辉石；常与角闪岩形成条带状建造。

全世界几乎所有的太古代地体，主要都是以灰色片麻岩TTG和绿岩带组成，其中又以TTG为主。

TTG在太古代地体里所占的比例高达80％左右。

同位素地球化学资料证明，许多TTG片麻岩代表由地幔新生长出来的陆壳。

因此，大陆地壳生长机制问题在很大程度上也就是TTG片麻岩地体的成因问题（转引自刘富,2010）。

构造环境：

板块模式：

俯冲板块的部分熔融

加厚下地壳的部分熔融

非板块成因模式：

地壳垂直生长模式

（地幔柱引发的基性岩浆底侵、

古宙大陆地壳的垂直生长）

科马提岩

为超镁铁质喷出岩。

1969年首次发现于南非巴伯顿山地的科马提（Komati）河流域，故名。

原意只限于太古宙绿岩中枕状岩流顶部的、具鬣刺结构的超镁铁质熔岩。

岩石主要由橄榄石、辉石的斑晶（或骸晶）和少量铬尖晶石以及玻璃基质组成，具枕状构造、碎屑构造，和典型的鬣刺结构（鱼骨状或羽状），其特点是橄榄石呈细长的锯齿状斑晶，是淬火结晶的产物。

在化学成分上典型的科马提岩以MgO>18％（无水）、CaO:

Al2O3>1、高Ni、Cr、Fe/Mg、低碱为特征

成因：

高Mg含量，指示高程度的部分熔融；高程度的部分熔融要求很高的温度，并且快速就位

BIF：

定义BIFs通常是指以化学（或生物化学）沉积方式形成的、具有薄层状或纹层状（条带状）构造的、一套富含铁的沉积岩（James,1954,1983）.

分布主要分布在太古宙绿岩带（Windley,1982,1995）,也广泛发布在前寒武纪高级区（ZhaiandWindley,1990,Windley,1995）.

时代主要形成时代:

>3.0Ga,

2.5-2.9Ga,

2.0-2.3Ga,

寒武纪之后基本未再出现。

数量：

前寒武纪铁矿占世界上铁矿数量的70-80%.

条带状铁矿占前寒武纪铁矿的90%以上.

BIF成因：

缺氧的还原环境。

铁以Fe2+形式溶解（存在）于海水中，Fe2+离子浓度逐步增高。

稍有氧化的条件，就可形成Fe3+离子，沉积出铁矿来（磁铁矿与赤铁矿）。

中元古代以后，由于海水的氧化环境、Fe2O3在水中的溶解度极低，不易于搬运沉积，所以BIF未见重复出现。

现代大洋滨海、浅海Fe2+浓度：

~1ppm

类型：

主要分为Algoma阿尔戈马型,Superior苏必利尔（湖）型,Algoma阿尔戈马型：

绿岩带型,Superior苏必利尔（湖）型：

拉通盆地型,此外，还有分为4个类型的（Algoma,Superior,Clinton,Minetee）

非造山岩浆岩组合

Ø元古宙（1.0～1.8Ga）的环斑花岗岩及与其有成因联系的岩浆岩事件，如斜长岩（An45-55）、辉长岩、辉绿岩、流纹岩、花岗岩和正长岩等。

Ø非造山岩浆岩的产生方式及演化过程可能有多种：

玄武质岩浆的结晶分异，英云闪长岩或更酸性地壳的部分熔融，壳幔源区的混合。

Ø非造山岩浆岩以深成岩体和岩墙的形式产出，代表相对小体积的岩浆，就位在老克拉通核附近。

Ø地幔柱？

造山后？

环斑花岗岩（Rapakivi）

具有A型花岗岩特征的，以大岩基形式产出的显示环斑结构的花岗岩（HaapalaandRamo,1999）。

●环斑花岗岩的结构特征：

斜长石边环绕在钾长石斑晶外围；

●环斑花岗岩的地球化学特征：

亚碱性，偏铝质，高FeOt/（FeOt+MgO），高K2O和不相容元素（REE,Zr,Hf），亏损Ca,Mg,Sr,P,Ti等，高初始87Sr/86Sr（0.705±0.003），负的或接近0的εNd值；

●环斑花岗岩就位于相对干的，高氧逸度，温度650~800℃，深度不超过15km条件。

早期岩石地质未见重复的地质意义

3早期岩石的变质特征

高级区变质特征：

麻粒岩-片麻岩地体；麻粒岩相（中压）-高级角闪岩相变质；混合岩化

绿岩带变质特征：

绿岩带的岩石普遍遭受低压变质作用，变质程度达绿片岩相，有些达角闪岩相。

变质岩类型有相当于超基性岩及基性岩变质的蛇纹片岩、滑石片岩、绿泥滑石片岩、绿片岩及绿岩等，由中酸性火山岩变质的绢云母石英片岩、绿帘绢云母片岩等，由沉积岩变质的片岩、千枚岩、变质砂岩、石英岩等部分岩石含红柱石。

多数岩石保留有原岩的结构构造

一个绿岩带自下而上一般可划分为3个组

③沉积岩组。

下部含有硬砂岩、泥质岩及条带状铁矿，相当于浊积岩系；上部是浅海相多旋回的砂砾岩组合，含有少量碳酸盐及条带状铁矿。

②钙碱性火山岩组。

以含钾较低的多层玄武岩－安山岩-英安岩-流纹岩为主，含燧石和碧玉质岩石等化学沉积岩。

①超基性-基性火山岩组。

有大量超基性火山岩出现，基性火山岩具有大洋玄武岩的地球化学特征。

主要特征是常有科马提岩。

各个地区的岩石组合大致类似，但各组的岩石可以不同。

总厚度一般为15～30公里。

绿岩带形成的时间大致为距今35～23亿年。

绿岩带呈大小不一的线形或尖锐的三角型盆地分布。

绿岩带和蛇绿岩的区别原因？

综合现在的研究资料，无论用何种判别标志，对于太古宙以及古元古代早期，世界各地的緑岩带或活动带的岩石组合与蛇绿岩都相差甚远。

作者长期思考这一问题，可能的原因有两个：

一是早前寒武纪的大陆形成与生长，其机制完全和板块构造不同，高的地热梯度与频繁的、小规模的地幔柱构造很活跃，是支配性构造；二是緑岩带至少有一部分緑岩带可能代表了残留的早期洋壳，但那时的洋壳与现代洋壳在结构和地球化学性质上都不相同。

对于早前寒武纪的海水来说，除了温度高之外，低的Eh值和高的Fe+2丰度是明显的特征之一。

与显生宙变质作用的比较

双变质带

陆陆碰撞高温高压变质作用

4变质作用

变质作用的概念

变质相的概念压力型

石英拉斑玄武质岩石的不同温度压力下的矿物组合

变质温压压力的测定方法

变质PTt轨迹在岩石遭受变质作用时，其所属的地质体往往经历了各种各样的动态演变，例如俯冲、碰撞、推覆、伸展、多阶段热接触等等。

这些过程都可对岩石的变质打下烙印。

岩石在一个变质作用过程中（同一个变质动力学过程中metamorphicdynamicprocess）的温度和压力随时间变化的过程，即PTt轨迹。

获得变质作用P-T-t轨迹的方法

一正演方法:

热模拟获得P-T-t轨迹的正演方法（forwardmodeling）

热模拟：

综合考虑变质作用热源、热传递机制、变质作用初始条件、增厚作用几何模型、岩石圈侵蚀参数等因素，得出理论上变质作用理想的P-T-t轨迹。

也称之为“正演”

二反演方法

（1）岩石学方法（变质反应结构）根据岩石中保留下来的矿物反应结构，准确区分各阶段矿物共生组合。

再根据各阶段矿物成分，计算出各对应阶段的P-T条件，由此确定变质作用P-T轨迹。

（2）矿物学方法（环带状变斑晶化学成分变化）根据岩石中保留下来的变斑晶矿物的化学成分环带，及环带各“圈层”生长过程中的共生矿物组合，计算出对应环带各“圈层”生长的P-T条件，由此确定变质作用P-T轨迹。

（3）流体包裹体：

变质岩中依次捕获的流体包裹体，由于组成和密度的差别，可以确定一系列等容线。

如果查明了这些包裹体的捕获顺序，并能运用独立的矿物温度计、压力计，在这样一条或几条等容线上限定每种流体被捕获时的P-T条件，那么理论上就可以大致了解岩石变质作用的P-T轨迹。

基本的PTt类型及其地质解释

两类特征的P-T轨迹

（1）近等温降压型（ITD,nearisothermaldecompression）通常认为是，在地质体碰撞之后，快速隆升、降压形成的。

即所谓的“westernAlpinetype”。

（2）近等压降温型（IBC,nearisobariccooling）：

通常认为是，在拉张构造环境下，地质体较快速冷却形成的。

典型的环境如大陆裂谷区。

岩石反应结构与P-T-t轨迹的关系

首先，有些岩石根本没有能力形成任何反应结构。

例如，石英岩、大理岩、变质长石石英砂岩、变质砾岩、云母片岩、黑云斜长片麻岩等。

即这些岩石即便经历了复杂的变质演化历史，也不能由岩石记录下来。

其次，具有反应结构的岩石，也未必能准确记录变质历史。

第三，人们对变质反应结构的解读，有时会出现失误。

高温－超高温麻粒岩：

类型：

孔兹岩，伴生辉长岩，部分熔融S型花岗岩

Rock:

khondalites,gabboricdyke,S-granite，变质历史：

降温，降压（等温或降温），Metamorphism:

T-decreasing,decompression；原岩：

泥质岩；Protolith:

pelite。

孔兹岩的原岩是一套石（长）英质砂岩－富铝质泥质岩－大理岩（含钙硅酸盐沉积）。

岩石厚度大，延伸广，层位稳定。

原岩大致可以分为以含石墨的孔兹岩系为主的沉积建造和以大理岩夹钙硅质为主的沉积建造。

孔兹岩系中发育原地深熔型石榴石花岗岩，体积通常可以达到孔兹岩系的1/3或1/2（卢良兆等，1996）。

主要的岩石类型有：

夕线石榴斜

（二）长片麻岩和浅粒岩、（石榴）黑云斜长片麻岩、石榴长石石英岩、石墨斜长片麻岩等。

钙硅酸盐－碳酸盐质的沉积岩有透辉石大理岩、石榴透辉岩、含榴斜长辉石岩、金云母橄榄大理岩等。

要点3克拉通化与稳定陆壳

1陆核与微陆块

最早陆核的形成

◆地球存在斜长岩初始陆壳：

无迹可查；

◆地球上最古老的岩石是TTG花岗岩；

◆地球上最古老的物质是锆石，是从花岗岩中结晶出来的；

◆地球在44亿年前存在花岗岩质陆壳，并可能有海水存在。

中国华北的古陆核与微陆块

2TTG片麻岩

岩石与地化特征及其分布

在大陆地壳中的地位

27亿年全球TTG片麻岩（陆壳）巨量增生及其地质意义

TTG片麻岩的形成机制-最重要的科学前沿问题

成因主要有两种不同的观点：

1岩浆分异说：

岩浆分异说（垂直增生）

地幔运送大量岩浆物质到地壳下部称为板底垫托。

在太古宙，从地幔派生的高MgO+FeO成分的镁铁质岩石有较大的密度，因而这些熔体的大部分未能达到上部地壳位置。

科马提岩来源于上地幔曾发生的高度（60－80％）的部分熔融作用和熔体有大于3g/cm3的密度，因而会有大多数这样的物质将在或接近地壳基底部分停留下来，趋向于形成不混熔液体，经重力分离作用后，上升到地壳上面，形成玄武岩或英云闪长岩；而遗留下来的橄榄岩质残留物的密度比原始物质要小，它们将浮起在未亏损地幔上部，并趋向于与上覆岩石圈合并，从而形成克拉通化和巨厚的岩石圈。

2部分熔融说

2－1、俯冲板块的部分熔融形成

2－2、原始陆壳的部分熔融形成

3克拉通与克拉通化

克拉通定义及其全球分布

地壳圈层中已经稳定及其在长时期（prologedperiod）没有明显变形的地体

克拉通化的基本内涵

克拉通化是形成稳定的上下地壳圈层，并达到壳幔耦合的地质过程;在太古宙末期的一个特定时期，不存在造山带活动，但是特征地存在稳定的和宽广的大陆，有岩墙群侵入和地台型、克拉通边缘型或被动陆缘型盆地沉积，代表大陆生长速率和面积、浮力都达到峰期。

克拉通的形成是全球固体圈层，特别是地壳内部圈层的稳定分层并与地幔圈层耦合的地质事件；从而导致了固体圈层与地球外部圈层的平衡。

克拉通化是地球发展历史中的关键阶段，具有不可逆性和不可重复性。

地球历史是由热到冷，由高能量到低能量，由无序到有序，由生到“死”的生长和演化过程。

克拉通的识别标志

1形成古陆接受地台盖层型沉积；

2出现广泛的基性岩墙群。

这表示有广大面积的大陆地壳的存在（赵宗溥，1993）；

3大量壳熔花岗岩。

华北克拉通实例两期克拉通化各自识别标志

华北新太古代末克拉通化的标志

1大量壳熔花岗岩

2岩墙群

3变质作用

4以青龙群和红旗营子

-单塔子群为代表的盖层沉积

要点4早期构造特点与特殊（与显生宙不同）构造事件

1新太古代陆壳巨量增生事件

27亿年（-25亿年）TTG片麻岩

27亿年（-25亿年）火山岩

初始板块构造特征

1活动带火山-沉积岩成线状展布，多期变形的褶皱带，不同于緑岩带-高级区构造样式；

2活动带火山沉积岩发生