孙晶
为什么花岗岩是地球上的土特产? 精选
2021-10-21 10:31
阅读:5389

专家走进《岩浆岩与变质岩石学》课堂

2021-10-20

整理人:蒋蕾茵

专家信息:

纪伟强 博士

中国科学院地质与地球物理研究所 副研究员

工作和研究方向:

造山带岩浆作用与地壳演化

主要项目:

1.青藏高原南拉萨地块新生地壳增生时间与机制研究;

2.青藏高原南部淡色花岗岩成因与深部地壳流动;

3.藏南拉萨地块东部晚渐新世岩浆混合作用成因机制。

 

孙老师:

好了,我们上课了。又进入到让专家走进课堂,让科普走向大众的环节。我上一节课给大家做了一个小科普,我说太阳系中只有地球才有花岗岩,我也问了大家,为什么只有地球上才有花岗岩。有三位同学做出了他们的思考,如果我没有记错的话,他们的回答第一个是觉得地球上的温度相对来说是比较适宜的,还有一个同学说跟水有关系,另外一个同学说的是地壳。至于这三个同学哪一个回答的是对的,我们今天请了一位专家,是纪伟强副研究员,他是中科院地质与地球物理研究所的,他的研究方向就是造山带岩浆作用与地壳演化,我们来听听他来跟我们解释,为什么太阳系中只有地球上才有花岗岩。我刚才给他的介绍全是官方的介绍,那我还有一个自己的介绍——他是我的同门师兄,我们欢迎纪老师。

纪老师:同学们好,能听到吗?

孙老师:能听到。纪老师,首先还是想问的第一个问题是为什么只有地球上才有花岗岩?

纪老师:关于花岗岩在什么地方存在是一个很重要的问题,曾经有学者提出“NO WATER NO GRANITE”,他们认为只有地球上有花岗岩,广义上来说,只有地球上有大规模的花岗岩和花岗质的地壳,因为我们从一些基础课上也会知道,我们地球是有地壳、地幔、地核的对不对,而这个地壳形成就是通过核幔分异,包括后期一系列的岩浆作用来形成的。而说是不是真的只有地球上才有花岗岩呢,可能会有些学者有不同的观点,就是说他们认为月球上也有一些类似的花岗岩,这个类似是怎么回事呢?它从成分上跟我们地球上的花岗岩有一定的相关性。它从组成上,比方说我们岩石定名上,它也有可以符合地球上花岗岩定名的岩石。比如说月球上的表面主要是一些月壤和角砾岩。这些角砾岩虽然主体上是玄武质的,但里面会有一些很微小的类似花岗岩的角砾。还有月球上的玄武岩里面,有一些流体包裹体,很显微的成分,它也可以是花岗质的。还有人发现呢,包括今年有新报道的文章发现我们地球上存在的来自于月球的陨石,里面也有一点点类似于花岗岩的组分,这是月球。火星上面呢,大家可能听说过“好奇号”火星车,它通过光谱研究,还有火星的奥德赛探测器,它们也发现有类似于这种花岗岩的组分。但是确实是这样,不管是月球还是火星,这些类地星球上都没有发现有确凿的,跟咱们地球上完全相似的花岗岩。它的主要原因是这些类地行星“死掉”得比较早,不像我们地球到现在还在有活跃的岩浆活动,我们知道岩浆活动它是地球或者说地壳形成和演化最主要的一种方式,它越熔融越演化,就越会形成这种类似花岗质的物质。另外需要提到的一个点就是,昨天我们所有三篇文章,关于月球的,在咱们科学最顶级的杂志NATURE上面发表了,他们发现月球的寿命从以前认为的2830亿年以前就“死掉”,可能活到20亿年,如果它能活到20亿年,就相当于多活了8亿年到10亿年,它就有可能有更长的演化时间,有可能形成更类似于花岗质的一种岩石,这个是问题的来龙去脉。大家有什么进一步的问题呢,我们可以再讨论。

孙老师:嗯,那大家有什么进一步的问题吗?听懂了吗刚才?刚才纪老师说了一个很重要的点,是“NO WATER NO GRANITE”,那我其实接着想问一句,既然花岗岩的形成与水有关,那大海里可全是水啊,为什么大海里没有花岗岩呢?

纪老师:花岗岩的形成确实与水有关,一般认为水的存在有利于岩浆作用的形成。我们说首先要有岩浆作用,有部分熔融才会形成花岗岩,同时呢,岩浆作用包括花岗岩的形成或是部分熔融的发生,它除了需要水,还需要热,我不知道你们有没有学过岩浆岩形成的这方面的课。岩浆岩的发生需要温度、压力和挥发份,挥发份主要就是水,除了水它还需要温度和压力,温度也是很重要的因素,它就是通过升温,让岩石熔融,当然我们说大海里它有水,但热量条件它是不满足的,所以说它很难发生熔融,也不会说形成花岗岩这些东西了。

孙老师:嗯,那这个我们是学了,岩石的产生就是温度升高、压力降低、挥发组分的加入对不对?这个是我们学了的。如果说,其他的星球是没有花岗质岩石的,那花岗岩对应的喷出岩是什么?

同学:流纹岩。

孙老师:好,那其他星球有没有流纹岩呢?

纪老师:现在是这样的。比如说我们刚才提到的火星,“好奇号”火星车它是11年发射的,12年就登陆火星,01年的时候发射了一个奥德赛号探测器,它们通过光谱,当然光谱不够精细,它们发现在火星上面有一些陨石坑,因为我们知道它有很多冲击的坑,包括我们月球上面暗的地方也都是陨石坑,撞击形成的。而火星上发现有些陨石坑没有被碎屑物质盖着,在陨石坑的中间部位,发现有类似于花岗石的岩石,或者说流纹质的岩石。是类似的,但因为也没有人能去,只能说从成分上发现它是贫铁镁,可能富集长石这种组分。我们知道花岗岩中富集长石,而从光谱能够看到火星表面有长石这种很类似的组分,这表明它的规模是相当大的,就像我们用太空看地表上,只有特别大的组分和信号我们才能识别出来。所以如果进一步地研究,有可能在局部发生形成花岗岩的机制,或者说形成流纹岩的机制。我们同学们可以想一下,就是我们说岩浆熔融最开始地幔里面,它可以形成玄武质的。如果有热量供应呢,它的玄武岩再一熔融,它可以形成花岗岩,所以在这个地方,这个星球没有“死掉”,它可以长期演化,终究可以形成花岗岩。最起码,它可以形成小规模的花岗岩。

孙老师:嗯,好的。其实纪老师研究花岗岩是研究青藏高原的花岗岩,那我想替同学们问一下,问什么你选择青藏高原的花岗岩进行研究呢?有什么特别的地方吗?

纪老师:首先我们从青藏高原来说起。青藏高原大家都知道,它是我们地球上平均海拔最高的高原,青藏高原的形成也是显生宙以来发生的最重要的一次碰撞造山事件,青藏高原我们知道,它是印度和欧亚碰撞的这个地方就是我们现在雅鲁藏布江的位置,它这个位置在我们地质上有一个名词,叫雅鲁藏布江缝合带。我做的那个岩石主要是缝合带北边的,早期大洋板块俯冲相关的这套弧形的岩石,这也是我们地球上最主要的,也是正在进行的岩浆活动。青藏高原还有一个很重要的点是在缝合带南侧,就喜马拉雅这一侧造山带,大家都知道喜马拉雅是地球上最高的山脉,包括珠穆朗玛峰,它是最高的山峰,这个地方有一种特殊的岩石叫做淡色花岗岩。淡色花岗岩就是说你看它那个颜色比较淡,暗色矿物含量很低,低于5%。淡的花岗岩它是在我们喜马拉雅来命名的,它是很重要的一种岩石,一般认为它的源区是纯地壳组分,这个在地球上是只有这个地方它是公认的纯地壳来源的一种花岗岩。相当于它是花岗岩里很特殊的一种类型,对于我们研究花岗岩,研究地球的形成演化具有重要的意义。

孙老师:嗯,好的。那我跟师兄求证一下,您说的那个淡色花岗岩是冬奥会上冰壶的主要制作材料吗?

纪老师:这个冰壶我就不太了解了,但这个淡色花岗岩它确实是作为一种很特殊的岩石类型,比方说我们单位也采集了许多珠峰附近的淡色花岗岩,作为一些纪念品送给大家。因为这是我们国家特有的。但是冰壶这个,我知识面有限,材料是什么我还不太了解,不好意思哦。

孙老师:好,那我们同学有什么其他问题?

同学:纪老师你好,我想问的是关于之前不是说NASA在火星上发现液态水的痕迹,这是否会对“只有在地球上才存在花岗岩”这一结论造成一定的冲击?然后之前不是NASA对木星的探测过程中也发现,木星在多个卫星中也发现水冰结构,是不是这些行星上也会存在类花岗岩结构或者说类花岗岩。我想知道花岗岩的形成是不是真的跟水的影响比较大,谁影响它形成花岗结构比较大,还是有其他因素比较重要的因素在里面?

纪老师:好的,我倒着回答你的问题。就是说,水对于花岗岩的形成确实有很重要的作用。因为水有利于部分熔融作用的发生,部分熔融作用只要它一直发生,它终究就能形成花岗岩。但是说没有水也能形成花岗岩,比如说月球,就昨天我们新在线的文章里有说,月球它是很干的,水含量特别低,地幔里面的水含量都特别低,但是即便在这种水含量很低的情况下,它地幔形成的这种玄武岩,这个玄武岩在受陨石冲击熔融,它没有水,也是可以形成花岗岩的。但是要形成大规模的花岗岩,确实是有水存在是更有利的。再往回说到火星呢,文章或观点认为,火星上有液态的水,甚至还有观点说,地表下很浅的深度就有可能存在水,如果这种水存在呢,它其实也有利于火星上这种部分熔融作用的发生,和进一步形成比较演化的岩浆,或者说形成花岗岩。但是说有一些其他行星,就像你刚才提到的,我们太阳系里有一个行星的卫星是冰卫星,它有冰壳结构,它上面的水特别多,但是我们会想到,它如果只有冰和水,它不一定会形成花岗岩。因为花岗岩是通过类地行星的岩石来形成的,对不对?它只有冰卫星和水的话,它下面的热量不够,没有类地物质,比方说木星啊,它很多是气态物质,它也不一定要形成花岗岩。它首先要有源区才可以。

同学:好,谢谢纪老师。

纪老师:不客气。

孙老师:好的,那其实都是我们之前学的,压力升高、温度降低、挥发组分加入,还有一个最大的前提是源区得有岩浆,得有岩石,我没骗你们吧,专家也是这么说的。

好,这位同学,来。

同学:我有一个小小的想法。就是老师,它这个形成的花岗岩会不会跟星球地壳深度和整体的这个大小有关系?比如说我们这个地球,地球半径是六千五,它这个深度最深度是地核,都会有一些岩浆成分,在这个深度之内,它刚好产生岩浆之后可以把上面的岩基熔融,之后要么再侵入再喷发出去,刚好这个深度可以达到形成花岗岩的压力和温度,在别的星球它可能小,再加上外面没有大气层保护,它的温度处在不断变化之中,比如说月球表面温度可能是一百多度,往下面走的话它温度可能会更低,它星球本身的厚度可能无法达到熔融,再产生花岗岩的条件,我是这样想的,可能是地球刚刚好厚度合适,而且离太阳的位置,又有大气层保护,所以它总体来说温度和各种条件可以实现大规模的花岗岩,我是这样想的。

纪老师:你刚才这段话里面,牵扯到很多重要的问题。牵扯到挥发份,比方说我们地球有大气层,其他星球是很稀薄的,当然有的是致密一点的,我们地球的热量在我们地表以下,越往下是越热的,地球的热量是来自地球内部的,就因为我们地球现在还是一个活跃的星球,所以它才会有热量,有热量才有这些岩浆作用的发生和岩浆岩的形成。我们花岗岩其实是岩浆里面的一个部分。就像刚刚你图上画的那个,我们地球上的岩浆有的来源比较深,它可以使地幔深部熔融,地幔柱相关的,它就可以直接喷出到地表,但这种成分主要是玄武质的。要让它形成花岗岩呢,需要让物质加热浅部的另外的玄武质的组分,或者其他的长英质组分,才能形成花岗岩。或者说,我们不纠结花岗岩的话,我们可以说这种大规模的长英质地壳组分的存在,是我们地球最主要区别于其他类地行星的特点。这种长英质广义上来说就是花岗质这种地壳组分。

孙老师:谢谢纪老师的分享。那我们今天先到这。

纪老师:好的,同学们再见。

 

 


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