为什么在太阳系中只有地球才有花岗岩?

地矿科普第67期

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.

联系电话：010-82051568

邮箱：sinanguoji@126.com