第二講地球的起源與圈層結構

一、地球起源二、地球圈層結構三、巖石圈結構與類型四、中國巖石圈結構與特征一、地球起源星云說1755年德國哲學家康德在其《自然通史與天體理論》一書中，提出了太陽起源的星云說。太陽形成：微粒狀的彌漫的原始物質——引力作用——聚集形成團塊——聚集加速——形成巨大的球體——旋轉體（太陽形成）；地球形成：球體以外的物質——在原始太陽的作用下——圍繞太陽赤道形成扁平的旋轉星云——星云物質聚集成團塊——形成行星拉普拉斯星云說：1796年法國數學家拉普拉斯在《宇宙體系論》中，提出了關于太陽系起源的星云說：太陽系原始物質是熾熱的星云——緩慢地轉動——星云逐漸收縮（致密）——轉動速度變快——星云逐漸變成星云盤，離心力——緣的物質便分離出來——形成一個旋轉的環(拉普拉斯環)——環分離——中心為太陽，外部行星霍伊爾－沙茲曼假說英國天文學家E-霍伊爾和德國天文學家-沙茲曼從電磁作用機制提出假說原始太陽系是溫度不高、轉動不快的的星云——隨著收縮的加劇，轉動速度加快——赤道突出并拋出物質——逐漸形成一個圓盤——中心體繼續收縮形成太陽；由于星際空間存在著很強的磁場，磁流體力學作用——產生磁力矩——太陽的角動量轉移到圓盤上——圓盤向外擴展——輕物質遠離太陽聚集成行星。彗星撞擊說18世紀法國生物學家布韋提出彗星碰撞說，彗星撞擊太陽，碎片冷卻形成地球“宇宙大爆炸宇宙論”1932年勒梅特提出大爆炸概念，1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論，認為宇宙由200億年前發生的一次大爆炸形成。爆炸之初物質以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子——溫度降低冷卻，形成原子、原子核、分子——復合成為氣體——氣體逐漸凝聚成星云，進一步形成各種各樣的恒星和星系。威爾金森各向異性探測器（WMAP）拍攝到大爆炸發生后宇宙微波背景的影像非均勻吸積假說（Turekian，Clark，1969；歐陽自遠，1995）1、M群巨星子（鐵隕石）——廣泛熔融，重力分異，形成地核和下地幔2、晚期C群（碳質球粒隕石）及L群（低鐵球粒隕石）小星子——部分熔融，形成橫向不均一的上地幔和原始地殼均勻吸積假說（阿萊格爾，1989）2002年，Re-Os系統，鐵隕石生成年齡為46.1億年

全球40億年碎屑鋯石分布國內~4.0Ga鋯石特征2001年，Wilde等對西澳地區Yilgarn克拉通JackHills地區太古代變質礫巖，用SHRIMPU-Pb分析，發現了迄今為止地球上最老的年齡紀錄，達到4404±8Ma。1973年在格陵蘭發現的，年齡為38億年

西澳大利亞沉積巖44-42億年碎屑鋯石

遼寧鞍山花崗質殘塊38Ma（劉敦一，1991）

冀東遷西群石英巖37-36Ma碎屑鋯石

南非Witwatersland沉積鈾礦，34億年的晶質鈾礦碎屑

石英巖鋯石CL圖像白云母石英片巖鋯石CL圖像石英巖

古地理和古地磁研究表明西藏雅魯藏布江帶縫合帶西段和華南地塊與東岡瓦納地塊具有明顯的親緣關系(Allegreetal．1984;Yangetal.2004)西藏普蘭變質沉積巖的老鋯石與西澳JackHills冥古宙碎屑鋯石(＞4.0Ga)的沉積物源區具有成因聯系？

仲巴與澳大利亞物源成因聯系？西藏和澳大利亞同屬岡瓦納古陸，＞4.0Ga的碎屑鋯石可能存在物源上的成因聯系二、地球的圈層結構地球內部結構是全面準確認識地球演化及其動力學的基礎和關鍵地球內部組成與結構研究方法：地球物理、超深鉆、地球化學與巖石學地震反射二、地球的圈層結構一）圈層劃分依據：根據成分和力學性質可將地球內部劃分為不同的同心圈層；主要是依據地震波在地球內部傳播速度的變化。波速或速度梯度有明顯變化的深度稱為不連續面或分界面。地震波類型縱波（P）：質點位移與傳播方向一致的波體波橫波（S）－質點位移與傳播方向垂直的波

駐波(自由震蕩)

面波(體波折射派生的分界面或表面傳播的波)波速與密度和彈性關系：地殼深部彈性比密度增加快，波速逐漸變大

Vp＝√（k＋4/3μ）/ρ；

Vs＝√μ/ρ

（ρ：密度，k：體變模數，μ：切變模數））地震波(彈性)P波與S波傳播與物性狀態P波能在固體液體中傳播，S波只能在固體傳播莫霍面——莫霍洛維奇不連續面（MOHO）莫霍洛維奇（1857-1936）克羅地亞地球物理學家，1909年于研究巴爾干地區發現，在該界面附近，縱波的速度從7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右；橫波的速度也從4.2km/s突然增至4.4km/s。出現的深度在大陸之下平均為33km,大洋之下平均為7km1910年莫霍洛維奇提出地球有內外層之分——地幔和地殼；地殼與地幔的分界面也就被稱之為莫霍洛維奇不連續面（莫霍面）。Moho——巖石圈內部的重要界面地幔底侵的關鍵的場所殼-幔拆離的界面殼-幔反應與交換華北地塊Moho塔里木Moho地殼斷面綜合解釋圖TwoWayTime/Second24681012141618202224262830MohoMoho？KFZoneKarakoramFaultKarakoramBranchFault底侵作用（underplating）上地幔的部分熔融或軟流圈上涌減壓熔融作用所產生的玄武質巖漿從下面添加到陸殼底部的過程。科拉半島超深鉆下地殼流動？重要滑脫面？康拉德不連續面(殼內）縱波（P波）5.6km/s——7.6km/s左右，橫波（S波）由3.2km/s——4.2km/s左右在地殼中平均深度約20km（陸地）處，深度變化較大，最深約40km，陸地最淺約10km，海洋明顯淺得多，甚至沒有。康拉德面以上平均化學組成與花崗巖相似（密度2.7左右），以下與玄武巖相似（密度2.9左右）。科拉半島超深鉆古登堡面（Gutenbergdiscontinuity）1914年，德國地球物理學家古登堡發現地下約2900千米處地震波的傳播速度有明顯下降（縱波速度下降:13.6km/s下降到7.9km/s，橫波直接消失:固態-液態）。地核與地幔的分界層1)按地震波速度和速度梯度變化——

地殼

地幔（上地幔、過渡帶、下地幔）地核（外核、過渡層、內核）2)按地震波速度反映的物質狀態——

巖石圈、軟流圈莫霍面和古登堡面將地球分為三大部分，即地殼、地幔和地核地球的圈層結構：成分、溫度、壓力與狀態變化地球的圈層結構：密度、速度變化Density地球圈層的形成——熱、重力分異模型重力作用和高溫影響，地球物質發生部分熔融，重者下沉，輕者上浮，導致大規模的物質分異和遷移，形成了從里向外，物質密度從大到小的圈層結構鐵和鎳比較重，含量也多，分離出來成為液態的金屬向中心聚集－地核較輕的硅酸鹽物質形成地幔和地幔之上的地殼氣體和水等輕物質被吸引在固體球的外圍三、巖石圈的結構與類型巖石圈:是地球的剛性外殼構成：地殼+上地幔剛性頂蓋巖石圈厚度~20-150km大陸區：110-150km大洋區：70-80km洋脊和島弧區：20-50km一）巖石圈的類型大陸、大洋、過渡型巖石圈現今地球表面結構與巖石圈類型（30%大陸+70%大洋）二）大洋巖石圈（地殼）的結構與組成大洋地殼——結構與組成現代洋殼年齡結構(<200Ma)過渡型巖石圈大西洋型（被動陸緣）安地斯型（主動陸緣）西太平洋型（島弧主動陸緣）太平洋型過渡型巖石圈大西洋型（被動陸緣）大西洋型（被動陸緣）西太平洋型（島弧主動陸緣）大西洋型西太平洋型東太平洋型三）大陸巖石圈結構大陸巖石圈4個分層:上地殼、中地殼、下地殼、上地幔剛性層2中地殼（厚度8-20km)陸殼的年齡大陸增生陸殼結構垂向上：存在一薄弱帶大陸巖石圈三明治式流變結構——巖石力學實驗認為大陸可能存在弱的下地殼大洋巖石圈結構大陸巖石圈結構殼內低速層——地殼變形的最基本的深層原因四）大陸地殼的類型類型：克拉通（地臺、地盾）；造山帶；大陸裂谷1克拉通（Craton)是大陸均衡的正向部分，在構造上比相鄰的活動帶更穩定，包括地盾和地臺CratonwasfirstproposedbytheGermangeologistL.Koberin1921as"Kratogen",referringtostablecontinentalplatforms,and"orogen"asatermformountainororogenicbelts.Laterauthorsshortenedtheformertermtokratonandthentocraton.構成陸核：Cratonsaregenerallyfoundintheinteriorsofcontinentsandarecharacteristicallycomposedofancientcrystallinebasementcrustoflightweightfelsicigneousrocksuchasgranite.

古老地塊：Acratonisanoldandstablepartofthecontinentalcrustthathassurvivedthemergingandsplittingofcontinentsandsupercontinentsforatleast500millionyears.Someareovertwobillionyearsold.

巨大的厚度：Theyhaveathickcrustanddeeprootsthatextendintothemantlebeneathtodepthsof200km.

穩定：Beingstablesincefinalcratonization.Craton白瑾等（1996）根據航磁資料成果，將中朝陸塊的中國部分（即華北地區）劃分為6個陸核：東勝、赤峰、遼吉、臨汾、渤海和濟寧陸核東勝赤峰遼吉臨汾渤海濟寧地盾（Shields）

位置：位于大陸的中部，是陸殼中最穩定的部分，也是大陸巖石圈板塊的主體。組成：由前寒武紀變質巖組成，沉積蓋層薄或沒有，以深成巖和變質巖為主。年齡：巖石年齡從600Ma－4.2Ga是一套有復雜經歷的深變質巖系，所經歷埋藏深度5-35km；地臺（platforms）

地臺具有基底和蓋層的雙層結構，基底為前寒武紀變質巖，蓋層為相對未變質的沉積巖。Shieldsandadjoiningplatformsmakeupcratons北美克拉通Typicalexamples1NorthAmerica(SuperiorandSlave)andGreenland2SouthAmerica(Brazil)3Africa(WesternAfrica,Barberton,Kaapvaal,Zimbabwe)4WesternAustralia(YilgarnandPilbara)5Asia(India,NorthChina,Tarium,Yangtze)NorthChinacratonTTG巖系（雜巖體）英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖（TTG；

tonalite-trondhjemite-granodiorite）組成。TTG雜巖體是現存地球最古老的地殼巖石，它們在克拉通中普遍存在，是現今大陸的最古老、最穩定的陸核。TTG巖石組合（巖套）：Trondhjemite（奧長花崗巖）+Tonalite（英云閃長巖）+Granodiorite（花崗閃長巖），占太古宙陸殼面積的50-60%。TTG組合分類：高鋁和低鋁兩種類型（Al2O3含量15wt%界限）TTG由成因：玄武質的巖石在高壓的條件下部分熔融形成，一種是認為TTG是加厚地殼發生部分熔融產生，另一種觀點則認為TTG是俯沖板片發生部分熔融形成。灰色片麻巖(greygneiss)：名詞本身而言并無確切的巖石類型和成因含意，高級變質區以長石和石英為主要成分的片麻狀巖石，包括：TTG片麻巖、副片麻巖和混合片麻巖。Neo-Archeanconglomerate,

Superiorcraton,Ontario地臺

基底巖系蓋層巖系中國大陸中太古代變質巖露頭分布阜平群鋯石U-Pb年齡2800±190Ma(吳昌華等,2000);鞍山群3.186-–2.819Ga；遼西建平群>2.97Ga;阿拉善群為>2.9Ga;河北遷西群>3.0Ga………中國大陸新太古代變質巖露頭分布五臺巖群2.55Ga以前;太華巖群、登封巖群和嵩陽巖群2.84-2.4Ga；山東泰山巖群>2.5Ga;安徽北部五河群2.65Ga,;安徽西部霍邱巖群2.7Ga;中條山絳縣巖群、涑水巖群2.48Ga……….大陸地殼的類型-2造山帶往往環繞著古老的大陸核心－地盾、地臺，由古生代和中、新生代不同變質相的褶皺巖系組成，故常稱褶皺山帶。在地形上往往是線性展布的山脈。它們可以是古板塊的大陸邊緣增生帶，如科迪勒拉造山帶；也可以是兩個大陸板塊之間的碰撞帶，如阿爾卑斯－喜馬拉雅造山帶。新生代以來的造山帶往往是高聳的山脈和地震、火山的頻發帶。TheTethyanandAlps-Tibetbelt復雜的變形構造組合：褶皺-逆沖斷層組合以及伸展大陸地殼的類型-3---大陸裂谷代表裂谷發育的早期階段/正斷層/地塹、半地塹/幔隆/斷陷/巖石圈伸展巨厚陸源碎屑堆積/雙峰式火山巖高熱/淺源地震大陸裂谷概念提出：J.W.Gregory(1894),東非裂谷概念：巖石圈板塊背離運動/地幔隆起/地殼斷陷大陸裂谷陸間裂谷關于東非裂谷的形成機制三叉形伸展三叉裂谷初始大洋裂谷分類：按裂谷發育的區域構造部位及其地質構造特征，可將其分大洋裂谷、大陸裂谷和陸間裂谷。大陸裂谷—東非裂谷；陸間裂谷—紅海裂谷；大洋裂谷—大西洋中脊；裂谷演化

大陸裂谷→陸間裂谷→大洋裂谷是一演化系列，就是大陸開裂、漂移、海底擴張的過程。五）陸殼和洋殼的差異三、中國地殼與巖石圈特征一）中國巖石圈研究現狀二）中國地殼的基本特征三）中國巖石圈的主要特點一）中國巖石圈研究現狀100年來，特別是新中國成立60余年來，我國開展了大規模的地質、地球物理、地球化學、遙感地質等調查研究，為地質找礦奠定了牢固基礎。

總體特點：中國位于歐亞板塊、印度-澳大利亞板塊和太平洋板塊的交匯地帶，具有復雜的巖石圈結構和許多獨特的地質現象。中國區域航磁程度圖共完成1145萬km2，其中：1:100萬-1:50萬比例尺航磁855萬km2；1:25萬-1:20萬比例尺航磁304萬km2。陸域已基本全覆蓋（935萬km2）；海域大部分完成。1.西昆侖-塔里木-天山,1200km;2.天山-準噶爾-阿爾泰,900km;3.亞東-格爾木,1400km;4.格爾木-額濟納旗,900km;5.湖北隋州-內蒙古科爾沁旗,

1200km;6.廣州-巴拉望,1800km;7.內蒙古滿洲里-黑龍江綏芬河,1300km;8.內蒙古烏珠穆沁旗-遼東東溝,960km;9.江蘇響水-內蒙古滿都拉,1200km;10.上海奉賢-內蒙古阿拉善左旗,1700km;11.青海門源-福建寧德,2200km;12.安徽靈壁-上海奉賢(HQ13),470km;13.阿爾泰-四川黑水-福建泉州,5000km;14.云南遮放-馬龍；745km.——14條地學斷面中國地學斷面(GGT)分布圖中國巖石圈研究現狀——中國大陸地殼總體特征中國地殼平均厚度47.6km，大大超過全球平均厚度；平均速度6.37km/s,又低于全球平均速度6.45km/s。

中國地殼厚度總的變化趨勢是：西厚東薄,南厚北薄（李廷棟，2013）一）中國地殼的基本特征（1）中國及鄰區地殼厚度分布圖(朱介壽等,2006)Sun，2003，滕吉文等，2002——地殼厚度的不均一性地殼厚度東西差異很大青藏高原平均厚度60-65km;東部沿海地區30-35km，深度差約30km。唐古拉山中段地殼最厚可達80km;南中國海中央海盆地殼厚度平均只有5km，厚度差達65km。地殼厚度上的差異反映了中國地形及巖石圈結構構造的復雜性。一）中國地殼的基本特征（2）中國及鄰區地殼厚度分布圖(朱介壽等,2006)——地殼構造格架的不均一性

大致以105°E為界，莫霍面起伏基本上與地表地形呈鏡像關系。西部：地殼等厚線呈EW向展布，青藏高原形成一個EW向巨型“地幔盆地”，莫霍面深度從邊緣地區44km到腹地的72-74km。東部：地殼厚度等值線呈SN-NNE向展布，大興安嶺—太行山—雪峰山為地殼厚度梯度帶，向西形成一個“地幔斜坡”，莫霍面深度從38km下降到44km，松遼平原，華北平原以及日本海、東海、南海都形成“地幔隆起”。一）中國地殼的基本特征（3）青藏高原及鄰區莫霍面深度青藏高原形成一個EW向巨型“地幔盆地”，莫霍面深度從邊緣地區44km到腹地的72-74km；西北地區呈現“幔隆”、“幔洼”相間格局。Moho界面探測（滕吉文等，2002）準噶爾Moho面深42km上升4-8km塔里木42-445-10柴達木524-8km四川40-42與西側比薄2-4鄂爾多斯40-42與西側比薄2-4松遼30-32與西側比薄4-6環渤海28-30與西側比薄4-6東南沿海10-20與西側比薄4-6南海-北部灣10-16與西側比薄4-8中國主要構造單元平均地殼結構沉積盆地Moho特點：盆地Moho面上隆2-10km，地殼厚度比周邊薄一）中國地殼的基本特征（4）中國地殼酸度總的變化趨勢：東高西低，南高北低。西部SiO2=64.32%；東部SiO2=65.12%就東部看，東北最低（SiO2=63.18%），華北中等（SiO2=64.88%），華南最高（SiO2=65.98%）。這種地殼酸度上的差異，同這些地區巖石組合、花崗巖類型等的差異是相匹配的。——地殼物質組成上的不均一性中國大陸地殼酸度分布圖

上地殼、中地殼下地殼上部、下地殼下部東部的地殼結構(四層)（袁學誠，1996;高山等，1999）

上地殼厚度為14km，其地震縱波速度為6.0km/s左右,SiO2的平均含量為65%,代表性巖石為沉積巖、花崗巖和低級變質巖，其成分與全球上地殼化學成分比較一致（Condie，1993），為構造變形較強的部位；中地殼深度為14～24km，縱波速度為6.4～6.6km/s,低于全球的平均值,在我國華北地區深度為20km附近，普遍存在低速高導層。SiO2的平均含量為62%，代表性巖石為90%的TTG花崗片麻巖以及10%的斜長角閃巖。說明中國東部中地殼演化程度更高，也即構造活動性較強，在許多地區是構造滑脫面

東部的地殼結構(四層)（袁學誠，1996;高山等，1999）

下地殼上部深度為24～32km，其地震縱波速度為6.8km/s左右,以華北克拉通麻粒巖相為代表,SiO2的平均含量為57～66%；下地殼下部深度為32～37km，其地震縱波速度為7.0～7.1km/s左右,(莫霍面之下,其地震縱波速度躍升為8.1km/s),SiO2的平均含量為50%,代表性巖石為鐵鎂質麻粒巖。

下地殼與國際上普遍認為的鎂鐵質下地殼（SiO2

50%）模型不同，而與歐洲的雙層下地殼模型（上部為長英質，下部為鎂鐵質）相近華北地殼華北地殼二）中國巖石圈的主要特點（1）中國及鄰3個不同厚度的巖石圈區：

(1)中亞-青藏巖石圈加厚區；呈向東殲滅（宜昌）的三角形，東北線以阿爾泰-祁連山-大巴山為界；東南緣以宜昌-昆明-達卡一線為界。巖石圈厚度170-200km。

(2)中蒙巖石圈減薄區（上地幔隆起）：呈向西殲滅，向大興安嶺-太行山撒開的三角形。北界為齋桑湖-貝加爾湖-鄂霍次克海一線，巖石圈厚度170-85km。

——中國及鄰區巖石圈厚度分區

(3)濱太平洋巖石圈減薄區：西以大興安嶺-太行山及鄭州-南京-武夷山為界，在日本海-東海及南海形成兩個巖石圈極薄區（上地幔穹隆），巖石圈厚度50-85km二）中國巖石圈的主要特點（2）——中國巖石圈厚度的不均一性

中國大陸巖石圈平均速度6.28km/s，比全球6.46km/s低0.17km/s，可能說明中國大陸柔性強、溫度高。

巖石圈厚度變化大(50-200km），西厚東薄，南厚北薄，克拉通地塊厚，造山帶及裂谷區薄。(1)塔里木、帕米爾、昌都地區形成3個巖石柱：180-200km(2)青藏高原、西北地區：140-180km，平均165km(3)東部濱太平洋帶及陸架區：50-80km二）中國巖石圈的主要特點(3)6個深度-速度切片反映出：(1)以大興安嶺-太行山-雪峰山為界，40km以淺西部為低速區，東部為高速區；到130km深度，西部為高速區，東部為低速區，并形成一巨型低速區。(2)在85km-250km，北部蒙古高原-鄂霍次克海東西向、東亞濱太平洋帶及西太平洋為低速區，伊豆-馬里亞納海溝到菲律賓海溝為一近南北間高速區。(3)到400km深度，除西伯利亞南緣及秦嶺-昆侖山兩條近東西向低速帶和西太平洋一條南北向較低速帶外，全區變為高速或較高速區。東亞及西太平洋邊緣海巖石圈、軟流圈S波速度層析成像(據朱介壽等，2002；Yanovskaya等，2003)二）中國巖石圈的主要特點（4）根據巖石圈動力學性質，把中國大陸及毗鄰海域巖石圈劃分為5種類型：克拉通型、造山帶型、裂谷型、邊緣海洋殼型、島弧型。

——中國巖石圈類型（邱瑞熙等，2006）（1）二）中國巖石圈的主要特點(5)——中國巖石圈類型（2）各類型巖石圈巖石組成及特點巖石圈類型代表性地區地殼巖石組成巖石圈地幔巖石組成主要特點克拉通型塔里木，揚子，中朝等地臺TTG巖套為主強虧損方輝橄欖巖為主巖石主體于18億年前形成造山帶型走廊北山，燕山-太行山，喜馬拉雅山，天山等花崗巖-花崗閃長質巖石方輝橄欖巖-二輝橄欖巖或二輝橄欖巖-方輝橄欖巖分古生代、中生代、新生代3個時代；厚度幔過渡帶裂谷型華北盆地，松遼盆地，閩粵沿海花崗質巖新生代地幔上涌地殼“基性化”二輝橄欖巖、輝石巖陸殼