太阳系中为什么只有地球才有花岗岩?选自《10000个科学难题·地球科学卷》

“10000个科学难题”编委会    科学出版社

ISBN: 9787030289834    矿业界书城价：150¥

为什么在太阳系中只有地球才有花岗岩?

Why do Granites Only Form on the Earth in Our Solar System?

撰文丨吴福元

单位：中国科学院地质与地球物理研究所

太阳系是由包括地球在内的九大行星所组成的, 其中地球以蓝色的海洋和绿色的大地而区别于其他行星。从地球科学的角度来说, 地球还有很多区别于其他行星的地方, 其中花岗岩就是一例。

我们大家都很熟悉花岗岩, 它是地球上的一种重要岩石类型。我们很多的风景区实际上就是花岗岩地貌, 如安徽的黄山 (图1左)、九华山和天柱山、江西的三清山、山东的泰山与崂山、辽宁的千山、陕西的华山等。我们很多的石材也是花岗岩的, 比如国家大剧院装饰用的“夜玫瑰”(图1右) 就是产于山西的一种花岗岩。当然, 花岗岩还与众多的矿产有联系。我国华南钨锡矿的形成就与花岗岩关系密切。实际上, 我们人类使用的许多金属矿产都与花岗岩有关。

图1 黄山花岗岩风景(左)及著名花岗岩石材(右, 夜玫瑰)

照片来源：网络资料

花岗岩呈现各种各样的颜色, 并具有不同的特征。但从矿物学上来说, 它主要由浅色的以硅铝为主要元素的长石 (包括斜长石和钾长石)和石英组成, 含少量以铁镁为主要元素的云母与角闪石。地质学家通过百余年的研究发现, 花岗岩是组成地球大陆地壳的重要岩石类型；而大洋地壳则与大陆地壳不同^[1], 它主要由斜长石和镁铁质含量高的辉石和橄榄石等暗色矿物组成, 在岩石类型上主要为玄武岩(喷发到地表的火山岩)和辉长岩(侵入到地下的岩浆岩)。那么，为什么只有大陆上才有花岗岩呢?

要回答这一问题, 我们还需要了解花岗岩的形成过程。我们说, 地球是由内部的地核、外部的地幔和表层的地壳所组成, 其中大陆地区地壳的平均厚度大约在40km左右^[2]。地球在初始形成时并没有地核、地幔和地壳之分, 但随着地球的演化, 其内部要发生熔融。由于地球的初始物质是富铁镁的, 它的熔融只产生玄武质岩浆, 形成类似于大洋成分的地壳，但当玄武质岩石再次发生熔融时, 它就形成了以硅铝为主要组分的花岗岩，花岗岩的密度要明显小于玄武岩。这样, 随着地球上大洋板块的俯冲, 密度较大的洋壳俯冲进入地幔，而以花岗岩为主要组成的大陆便能长期保留下来。目前见到的大洋地壳，年龄都小于2亿年, 而大陆地壳则可老至40亿年。且随着时间的进行, 保存的大陆地壳又多次被熔融, 使其成分不断向硅铝质增多的方向进行,而残留的镁铁质物质可以通过适当方式返回地幔^[3~5]。这种过程反复进行,使地球的大陆地壳不断向稳定的方向发展。可以说,花岗岩的多少是衡量地壳发育程度的重要岩石学标志。

根据目前人类所掌握的资料,太阳系内其他行星并没有发现有花岗岩的存在；或者说,花岗岩是地球区别于太阳系内其他行星的重要岩石学标志。这一情形的出现实际上也是与这些行星的演化程度和历史有关。正如前面叙述的那样,花岗岩是地壳演化程度的岩石学指标, 正是由于这些行星的地壳演化程度较低,才没有出现地球上出现的花岗岩。如月球,它是除地球以外人类研究较多的另外一个星体。

从月球陨石和月球返回的样品发现,月球上不存在花岗岩,或者说, 花岗岩极为少见。其主要原因是因为月球在经历了早期的岩浆海阶段后便“死寂”了,除了偶尔有陨石来访外,月球上目前不存在什么地质活动。

其他天体不存在花岗岩的另一个重要原因是水。在所有的地质过程中,水起着十分重要的作用，如果没有水, 所有的岩石都很难发生熔融。而水加入到岩石中以后,可显著降低岩石的熔点,进而使其发生熔融。所以,水是形成花岗岩必不可少的重要组分^[6]。地球正是由于水的存在,才使大量花岗岩的出现成为可能,而这是其他星体所不具备的。那太阳系外的其他天体中是否也都不存在花岗岩呢?我们现在还不能给出确切的答案。但这一问题十分重要,因为只有演化成熟的天体才有可能出现类似地球上的生命,而寻找到地球以外的生命一直是人类孜孜以求的梦想。

（选自10000 个科学难题·地球科学卷）

参考文献

[1] Pitcher W S. The Nature and Origin of Granite. London: Chapman & Hall, 1997, 1−387.

[2] Christensen N I, Mooney W D. Seismic velocity structure and composition of the continental

crust: A global view. J. Geophys. Res., 1995, 100: 9761−9788.

[3] Wedopohl K H.The composition of the continental crust. Geochim. Cosmochim. Acta,1995,69:1217−1232.

[4] Rudnick R L. Making continental crust.Nature,1995,378: 571−578.

[5] Gao S, Zhang B R, Jin Z M, Kern H, Luo T C, Zhao Z D. How mafic is the lower continentalcrust? Earth Planet. Sci. Lett., 1998, 161: 101−117.

[6] Campbell I H, Taylor S R. No water, no granites-no oceans, no continents. Geophys. Res. Lett.,1983, 10: 1061−1064.

矿业界书城购买链接：

https://h5.koudaitong.com/v2/goods/1yf209pa1skng

长按识别二维码即可购买

也可以点击文底“阅读原文”进行购买

矿业界书城精美著作持续上架中~~~

《10000个科学难题》序

前言

地理科学

长江与黄河河谷是怎样形成？ 潘保田 高红山 师长兴

河流河床物质组成沿流程变细过程中为什么存在突变现象？许炯心

如何对于冲积河流河床形态方程进行封闭求解？许炯心

冲积河流为什么会变得弯曲？许炯心

下垫面性质变化对局地气候影响的定量解释 顾卫

灰霾天气的形成与演化 吴兑

分布式水文模型 洪阳 陈永勤 王加虎

缺资料流域的水文预报 刘苏峡 夏军

土壤脱硅富铝化的热、动力学条件是什么？ 张甘霖 沈仁芳 黄景

种域大小地理梯度的Rapoport法则 沈泽昊

SLOSS-自然保育问题中的“独大与数小”争论 康慕谊 朱源

森林-草原过渡带的生态机理 康慕谊 刘鸿雁 朱源

高山林线的形成机理 罗天祥 康慕谊 张林

森林植被分布的异常格局 罗天祥 张林

为什么不同地区生物群会有如此大的差异？ 李宜垠

中国不同植被类型主要植物种类相对花粉产量和花粉源范围 许清海 李月丛

树轮气候重建中低频信号的提取 勾晓华 刘禹

中全新世晚期中国森林植被衰退的原因——气候变化或人类活动？ 赵艳 陈发虎

农业起源之谜 安成邦 董广辉 陈发虎

史前大洪水之谜 安成邦 董广辉

我国内陆干旱区末次冰期间冰段“大湖期” 陈发虎 范育新

亚洲内陆干旱区降水变化的“西风模式” 陈发虎 张家武 赵艳 安成邦 陈建徽

中世纪暖期和小冰期是全球性的还是区域性的气候异常？ 陈发虎 陈建徽 杨保

地理环境演变过程中的尺度效应和尺度转换问题 陈振楼 王军

环境基准及其赋值问题 周启星

多种污染物的交互作用 刘文新 陶澍

如何定量区分环境污染与其他因素对人体健康的危害 刘文新 陶澍

复杂环境体系中化学污染物的锁定和老化现象及其机理 孙红文

新型污染物的环境污染和环境行为 祝凌燕

水环境中纳米颗粒物的环境行为 陈振楼 杨毅

水体富营养化发生机理 陈振楼 王东启

超积累植物积累机理及其成因 魏树和 刘家女

自然固氮和脱氮机制 陈振楼 王东启

为什么难以确定可更新资源开发利用的临界值？ 周涛

为什么难以制定自然资源开发最优方案？ 周涛

灾害链传递机理 赵晗萍

自然灾害的风险与损失评估 李宁

自然灾害周期性 张继权

人地关系地域系统及其在地球表层系统中的地位 陆大道

社会经济空间结构的“点-轴系统”形成机制 陆大道

如何理解社会经济的空间结构及形成的影响因素 陆大道

地域功能生成原理及其主要影响因素.樊杰 陶岸君

全球环境变化中文化与制度因子的作用方式与机理 刘卫东 宋周莺

信息技术因子对区域空间重组的作用机理 刘卫东 宋周莺

地域文化的尺度间整合过程 周尚意

城市化过程与动力机制 方创琳 鲍超

巨型城市的形成机制与发展趋势 顾朝林

城市蔓延的机理与规律 顾朝林

半城市化地区的形成机理与识别方法 刘盛和

产业集群的形成机制与空间效应 张文忠

产业空间转移的周期性及其原理 张文忠

乡村地域类型分异与重构机制 刘彦随

新时期农业生产基地的形成与发展 刘彦随

交通网络形成与演化的人文环境效应 金凤君 王成金

区域间相互依赖性的原理与测算方法 樊杰

空间可达性内涵和测算方法 王成金 金凤君

城市人口规模的确定方法和测算 周春山

地质学

地球奇想：问地问天 刘嘉麒

生命起源 袁训来

陆生植物登陆之谜 王怿

动物起源和寒武纪大爆发 朱茂炎

脊椎动物起源与早期演化 朱敏

鸟类及其羽毛和飞行的起源 周忠和

生物大灭绝之谜 沈树忠 詹仁斌

生物大灭绝后的复苏 童金南

人类的起源 高星 刘武

地球生物学与微生物地质过程 谢树成 段鸿福

大陆的形成、演化及其动力学 董云鹏 张国伟

地球上大陆的地质历史：多个大陆裂解-重组演化旋回，还是围绕古陆核向外逐渐生长？ 李锦轶

超大陆的形成、解体与演化 陆松年

大陆岩石圈的多层拆离构造作用 颜丹平

地幔柱构造及其验证 张招崇

板内构造过程 林伟

盆山耦合 舒良树

克拉通内盆地的成因 孟庆任

特提斯的魅力——起源、演化和资源环境效应 陈智梁

超高压变质作用 张立飞

神秘的古亚洲洋 肖文交 张继恩 韩春明

活动构造 张培震

中国大陆强震与活动地块 张培震

世界的石油天然气还能用多久？ 周总瑛 何治亮

超量煤层气的赋存状态与产出过程 侯泉林

如何把煤矿“暴戾杀手”变为宝贵的清洁能源 叶欣 何治亮

重要的战略替代能源——非常规油气资源 包书景 何治亮

无机作用对油气的贡献 刘池洋 邱欣卫

天然气藏中剧毒的H2S的形成与安全利用 刘全有 何治亮

中国陆相盆地油气资源丰富的根本原因 邱欣卫 刘池洋

中国海相盆地油气勘探难度大的症结 王建强 刘池洋

超大铀矿铀源之争与地球铀不均一性 李子颖 张金带

矿产资源的偏富极 刘池洋 邱欣卫

适于地球巨型复杂系统的研究方法 刘池洋 张东东

滑坡灾害及其预报 黄润秋

泥石流的起动机理和阻力规律 余斌 唐川

地下工程或地下开采的地质灾害超前预报 李天斌

高放射性核废物的最终安全处置 王驹

水库诱发地震的机理及预测 马文涛

地面沉降 薛禹群

千古之谜——1908通古斯大爆炸 侯泉林

地球化学

深俯冲大陆地壳是如何折返的？ 李曙光

大陆地壳形成过程中的铌（Nb）-钽（Ta）之谜 肖益林

地球上最古老的岩石是什么时候形成的？ 吴福元

为什么在太阳系中只有地球才有花岗岩？ 吴福元

稳定的大陆克拉通为什么会被破坏？ 吴福元

雪球地球假说 郑永飞 储雪蕾

全地幔对流与上下地幔化学分层 孙卫东 黄金水

下地幔密度陷阱 孙卫东 黄金水

地幔柱是否存在？ 徐义刚

可以通过计算模拟来预测地球内部物质及其物性吗？ 段振豪 刘耘 陆献彩 张志刚 张驰 崔航

地球铅同位素之谜 李献华

地幔组成的不均一性及其成因 李曙光

地核是怎样形成的？ 李洁

地核中的轻元素之谜 李洁

地核的温度究竟有多高？ 段振豪 崔航 张志刚

太阳系中最古老的物体是如何形成的？ 徐伟彪

地球-月球系统的撞击成因假说 林杨挺

灭绝核素的分布和起源 林杨挺

太阳系的氧同位素异常 林杨挺

太阳系中还有其他生命的世界吗？ 李一良

地球大气何时氧化？ 蒋少涌 赵葵东 储雪蕾

地质历史时期大规模海洋有机质堆积事件发生的原因 彭平安

元古宙的海洋化学——硫化海洋 储雪蕾

大规模火山喷发是生物灭绝的元凶？ 徐义刚 沈树忠

地球存在一个深部生物圈吗？ 李一良

地球上生命从什么时候开始的？ 李一良

地球生态系统的终结：我们还有多长时间？ 李一良

早期地球上有机质的非生物合成及其演化 周怀阳 季福武

海底冷泉及其生态系统 冯东 陈忠 陈多福

青藏高原隆升能引起全球气候变化吗？ 吴福元 郭正堂

从中国黄土保存的核素10Be和磁化率的记录重演过去环境变化 周卫健

白云岩成因与碳酸盐矿物氧同位素分馏 郑永飞 蒋少涌

为什么非传统稳定同位素在高温下可以分馏？ 滕方振

非质量同位素效应产生的机理 蒋少涌 赵葵东

持久性有机污染物的“全球蒸馏效应”如何验证？ 王继忠 曾永平

毒性物质一定致命吗？ 曾永平 倪宏刚

天然气水合物：地史时期地质灾变事件的无形杀手？ 王钦贤 李一良 陈多福

是地球上早期生命导致前寒武纪硅铁建造的形成吗？ 李一良

微生物在矿物形成过程中的作用 周怀阳 彭晓彤

天然气水合物形成与开发利用 吴能友 郭光军 陈多福

地球深部超临界流体 熊小林 郑永飞

地球上水的来源 夏群科 刘少辰

海洋Nd同位素与Nd元素浓度悖论 凌洪飞

地球物理

海啸 陈运泰

地震预测 陈运泰

热流佯谬 陈运泰

地震早期预警 倪四道

地下应力大小的测定 许忠淮

为何只有少数大地震有直接前震？ 许忠淮

地震震源破裂的物理过程 章文波 张海明

基于物理过程的强地表运动预测 史保平 孟令媛

地幔对流与板块构造学说 黄金水 钟时杰

热点与地幔热柱假说 黄金水 傅容珊

地震层析成像 江燕 陈晓非

慢地震 彭志刚

大地测量中动力学因素的探测与分离 杨元喜

内核是超速旋转的吗？ 申文斌 宁津生

十年尺度日长变化之谜 申文斌

高分辨率厘米级全球大地水准面的确定 李建成 申文斌 晁定波

地球液核长周期振荡的研究与探测 徐建桥 孙和平

高分辨率地球重力场时变信息获取 张子占 钟敏 郑伟 许厚泽

地球内核平动振荡 雷湘鄂 徐建桥

钱德勒摆动的激发源是什么？ 闫昊明

宇宙零与演化 杨宝俊 于晟

地球介质地震波完整传播理论及有效近似 杨宝俊

深资源高精度地震探测 杨宝俊 刘财 李月

“上天容易入地难”是真的吗？ 于晟 杨宝俊 李月 刘财

地球层圈结构中流体的作用 杨宝俊 林君 李月

人类活动能诱发地震吗？ 陈颙

大陆岩石圈中放射性生热率的垂向分布 何丽娟 汪集暘

地磁场起源 朱日祥 刘青松

同震电磁信号是否存在？ 黄清华

大陆地壳及岩石圈形变机制与动力学 沈正康

水岩相互作用与地震过程的成因机制 黄辅琼

地幔转换带是含水的吗？ 黄晓葛

亚稳态橄榄石在地幔过渡带中的存在状态 宁杰远

太阳爆发的能量是如何释放的？ 陈耀

太阳风的起源 宋礼庭

太阳风湍流的形成与耗散机制 何建森

日冕加热机制 王赤 任丽文

极光之谜 宋礼庭

地球空间电流体系 徐文耀

磁层空间中的波-粒相互作用 傅绥燕

无碰撞磁场重联的触发机制及其电子动力学行为 陆全明

地球磁暴和亚暴产生机制 宗秋刚 张湘云

磁层-电离层-大气层耦合 徐寄遥 姜国英

电离层年度变化因何异常？ 万卫星 余涛

电离层E区的突发层状结构：Es层 万卫星 左小敏

大气和空间过渡区域中的奇异现象和基本物理过程 易帆

空间天气灾害 王赤 任丽文

地磁导航与生物启迪 杜爱民 潘永信

大气科学

水汽是如何进入平流层的？ 卞建春

建立什么样的立体观测网才能满足天气和气候变化监测与预报的需要？ 陈洪滨

大气中准两年周期振荡现象及其影响 魏科 陈文

地球气候系统与多圈层相互作用 丁一汇

气候变化与温室气体 丁一汇

生物气溶胶在大气冰核核化过程中的作用 杜睿

大气垂直速度的准确计算问题 高守亭

气溶胶在云降水形成中的作用与人工影响天气 郭学良

大气边界层和风能资源开发 胡非

新粒子生成 胡敏 岳玎利

平流层对对流层天气和气候的影响 胡永云

东亚季风系统 黄荣辉

极地气候变化及其影响 刘骥平

太阳活动与地球天气气候 吕达仁

集合资料同化中的模式误差估计问题 孟智勇

非均匀大气条件下辐射传输及其效应 毛节泰

城市与区域大气复合污染 邵敏

气候敏感性与反馈 孙颖

青藏高原对东亚气候变化的影响 段安民 吴国雄

地球大气的电学问题及气候效应 郄秀书

雷暴起电与闪电过程及机理 郄秀书

雷电放电的物理、化学效应 郄秀书 杨静

全球碳循环与气候变化 徐永福

气候极值 严中伟

生物气溶胶的实时检测 要茂盛

暴雨灾害天气的机理和预测研究 赵思雄 孙建华

城市化对气候变化的影响 赵宗慈

人类活动在全球气候变化中的作用 赵宗慈

自然因素在全球气候变化中的作用 赵宗慈

人为活动改变全球氮循环的气候净效应 郑循华

东亚独特气候变化的特征和成因研究 周天军

气候系统模式与气候变化的模拟和预测 周天军

城市化对气候变化的影响 赵宗慈

人类活动在全球气候变化中的作用 赵宗慈

自然因素在全球气候变化中的作用 赵宗慈

人为活动改变全球氮循环的气候净效应 郑循华

东亚独特气候变化的特征和成因研究 周天军

气候系统模式与气候变化的模拟和预测 周天军

海洋科学

大洋西边界环流系统三维结构理论的建立 王凡

气候年代际变化的成因及预测 吴立新 李春

海洋混合——撬起海洋运动的支点 田纪伟

热盐环流的形成及演变机理 王伟

厄尔尼诺预测能力还有多少提升空间？ 陈大可

海-气相互作用 乔方利

全新世千年尺度的气候波动 李铁刚

海岸地区是大气二氧化碳的源还是汇 陈镇东

海洋深部的空间遥感观测研究 严晓海

海洋中溶解有机碳的年龄差异 王旭晨

海洋钙化生物的不幸：海洋酸化 高坤山

生物可利用氮在海洋的储量随冰期-间冰期变化？ 高树基

为什么海床深部沉积物中有生命的存在？ 王桂芝

海洋吸收人为二氧化碳的能力会达到饱和吗？ 翟惟东 戴民汉

陆源物质的输入如何影响近岸海区的CO2源汇格局？ 郭香会 蔡卫君

海洋微型生物碳泵 焦念志

海洋病毒——从纳米尺度上影响全球生态系统 张锐 焦念志

非嗜热古菌：海洋全球碳氮循环的新角色 张传伦

地球上的基因工程实验室——海洋微生物的基因转移 张锐 陈峰

深海微型生物群落的代谢途径及其环境效应 张瑶 焦念志

海洋微型生物的物种之谜？——从纯系培养到环境基因组学研究的启示 欧丹云 胡安谊 焦念志

环境友好海洋污损生物防除 柯才焕 冯丹青

深海热液生态系统 肖湘 李一良

喜马拉雅山脉隆升的过程及其气候环境后果 杨守业

“沧海桑田”与海平面变化 杨守业

深海沉积物输运与沉积机制 范代读

如何评价大型水利工程对河口及近海生态系统的影响？ 杨作升

俯冲板块的撕裂：原因与结果 李春峰 杨挺 薛梅

海洋沉积动力过程对地质记录的影响问题 高抒

令人费解的与海沟平行的地幔地震各向异性观测 陈永顺

为什么没有深度超过660公里的深源地震？ 陈永顺

什么因素控制俯冲带地震的大小？

编后记

·END·

长摁二维码

添加《矿业界》主编个人微信

联系电话：010-82051568

邮箱：sinanguoji@126.com