Эволюция земной коры - Википедия - Earths crustal evolution

Карта поверхности океанической коры, показывающая образование молодой (красной) коры и возможное разрушение более старой (синей) коры. Это демонстрирует пространственную эволюцию земной коры, продиктованную тектоникой плит.

Эволюция земной коры вовлекает формирование, разрушение и обновление скалистой внешней оболочки при этом планета поверхность.

Различия в составе земной коры намного больше, чем у других планеты земной группы. Марс, Венера, Меркурий и другие планетные тела имеют относительно квазиоднородную корку, в отличие от Земли, которая содержит как океанические, так и континентальные плиты.[1] Это уникальное свойство отражает сложную серию процессов земной коры, имевших место на протяжении всей истории планеты, включая продолжающийся процесс тектоника плит.

Предлагаемые механизмы эволюции земной коры основаны на теоретико-ориентированном подходе. Отрывочные геологические свидетельства и наблюдения служат основой для гипотетических решений проблем, связанных с ранней системой Земли. Таким образом, сочетание этих теорий создает как основу для нынешнего понимания, так и платформу для будущих исследований.

Ранняя корочка

Механизмы раннего коркообразования

Ранняя Земля была полностью расплавленной. Это произошло из-за высоких температур, создаваемых и поддерживаемых следующими процессами:

  • Сжатие ранней атмосферы
  • Быстрое осевое вращение
  • Регулярные столкновения с соседними планетезималиями.[2]
Фазовая диаграмма, показывающая последовательную кристаллизацию в пределах ранней мантии, формирующую раннюю кору. An адиабата представляет собой изменение температуры с давлением, если тепло не теряется из-за конвекции. Ранние мантийные адиабаты показывают, что кристаллизация происходила из основания; выше примерно 25 ГПа (глубокая мантия) перовскиты начнут кристаллизоваться, ниже 25 ГПа (верхняя мантия ) оливин кристаллизовался бы.

В мантия оставалась выше, чем современные дневные температуры на протяжении всего Архейский.[3] Со временем Земля стала остывать, как планетарная аккреция замедляется и тепло сохраняется в магматический океан был потерян в космосе из-за радиация.

Теория инициирования состояний затвердевания магмы, которые после того, как достаточно остынут, сначала начнет кристаллизоваться более холодная основа океана магмы. Это потому, что давление 25ГПа на поверхности вызывают солидус снизить.[4] Образование тонкой «холодной корки» на крайней поверхности обеспечит теплоизоляцию неглубокой подповерхности, сохраняя ее достаточно теплой, чтобы поддерживать механизм кристаллизации из глубокого океана магмы.[4]

Состав кристаллов, образовавшихся при кристаллизации магматического океана, менялся с глубиной. Опыты по плавлению перидотит магмы показывают, что глубоко в океане (> ≈700 м) основным присутствующим минералом будет Mg-перовскит, в то время как оливин будет преобладать на более мелководных участках вместе с высоким давлением полиморфы например гранат и мажорит.[5]

Теория, способствующая формированию первой континентальной коры, - это интрузивные плутонический вулканизм. В результате этих извержений образовалась горячая толстая литосфера, которая регулярно колебалась вместе с мантией.[6] Тепло, выделяемое этой формой вулканизма, а также помогающее мантийная конвекция, увеличил геотермический градиент ранней коры.[7]

Дихотомия коры

Дихотомия земной коры - это отчетливый контраст по составу и природе океанических и континентальных плит, которые вместе образуют общую кору.

Время

Океанические и континентальные коры в настоящее время образуются и поддерживаются тектоническими процессами плит. Однако маловероятно, что эти же механизмы привели к возникновению коры. дихотомия ранней литосферы. Это считается правдой на том основании, что участки тонкой континентальной литосферы с низкой плотностью, которые, как считается, первоначально покрывали планету, не могли быть субдуцированы друг под друга.[8]

Следовательно, предложенное относительное время для дихотомии земной коры было выдвинуто, утверждая, что дихотомия началась до начала глобальной тектоники плит. Это так, чтобы можно было установить разницу в плотности земной коры, чтобы облегчить субдукцию плит.[8]

Формирование

Развитие основания ударного кратера на поверхности Земли, показывающее заполнение базальтовых частичных расплавов из мантии. Это затвердело, чтобы сформировать раннюю дифференцированную океаническую кору.

Кратер от удара

Большие и многочисленные ударные кратеры можно увидеть на планетах Солнечной системы. Считается, что эти кратеры относятся к периоду, когда наблюдалась повышенная частота и интенсивность столкновений астероидов с планетами земной группы, известных как Поздняя тяжелая бомбардировка, который закончился примерно 4 миллиарда лет назад.[9] Далее в этом предложении утверждается, что Земля также выдержала бы такую ​​же относительную интенсивность кратеров, как и другие планетезимали в Солнечная система. Поэтому только из-за высоких темпов эрозии Земли и постоянной тектоники плит кратеры сегодня не видны. Увеличивая количество и размер ударных кратеров, наблюдаемых на Луне, до размеров Земли, прогнозируется, что по крайней мере 50% первоначальной коры Земли было покрыто ударными бассейнами.[8] Эта оценка дает нижний предел воздействия кратеров на поверхность Земли.

Последствия

Основными эффектами ударного кратера на раннюю литосферу были:

  • Образование крупных кратеров. Изостатический отскок регулировал бы глубину кратеров, делая их относительно мелкими по сравнению с их диаметром;[10] некоторые достигают глубины 4 км и диаметра 1000 км.[8]
  • Топографический разделение между низколежащими ударными бассейнами и ныне возвышенной поверхностью.[9]
  • Сброс давления на поверхности после удаления перегружать. Это приводило к большему повышению температуры с глубиной под поверхностью. Повышенная температура поверхности вызвала частичное плавление мантии, которая извергалась и откладывалась в поверхностных бассейнах. В пиролит мантия произвела бы базальтовый частичные плавки, контрастирующие по составу с существующими сиаловый корочка.[8]

Масштабы этих воздействий интерпретируются с высокой степенью неопределенности как преобразование примерно половины «континентальной» коры в земную. Мария,[11] тем самым обеспечивая метод формирования дихотомии земной коры, как это видно сегодня.[10]

Виды корочки

Первозданная кора

Первоначальная кристаллизация минералов из магматического океана сформировала первичную кору.

Возможное объяснение этого процесса гласит, что окончательное затвердевание края мантии произошло примерно 4,43 млрд лет. Это впоследствии привело бы к образованию континентов, состоящих из коматиите, ультраосновная порода, богатая магний с высокой температурой плавления и низкой динамическая вязкость.[12] Другое направление исследований продолжает это, предполагая, что различия в плотности вновь образованных кристаллов вызывают разделение пород земной коры; верхняя корка в основном состоит из фракционированных габбро и нижняя корка состоит из анортозиты.[13] Общий результат начальной кристаллизации сформировал первичную кору глубиной примерно 60 км.[13]

Отсутствие уверенности в формировании первичной коры связано с отсутствием сохранившихся современных образцов. Это связано с высокими темпами эрозии Земли и субдукция и последующее разрушение тектонических плит на протяжении 4,5 млрд лет.[12] Кроме того, считается, что во время своего существования изначальная кора регулярно разрушалась и переформировывалась в результате ударов с участием других планетезималей.[13] Так продолжалось несколько сотен миллионов лет после нарастание, который составил около 4,4 млрд лет.[11] Результатом этого будет постоянное изменение состава изначальной коры, что усложняет определение ее природы.[11]

Вторичная корка

Повторное использование существующей первичной корки способствует образованию вторичной корки. Частичное плавление существующей коры увеличивает мафический содержание расплава, образующего вторичную базальтовую кору.[14] Еще один способ образования из-за распада радиоактивный элементы в пределах Земли высвобождают тепловую энергию и в конечном итоге вызывают частичное плавление верхней мантии, а также производят базальтовые лавы.[15] В результате большая часть вторичной коры на Земле образуется на срединно-океанические хребты образуя океаническую кору.

Третичная корка

Современная континентальная кора является примером третичной коры. Третичная кора является наиболее дифференцированным типом коры, поэтому ее состав сильно отличается от основной массы Земли.[16] В третичной коре содержится более 20% содержания несовместимые элементы, которые представляют собой элементы, размер или заряд которых препятствует их включению в структуру минерала.[16] Это результат его образования в результате субдукции и частичного плавления вторичной коры, где она подвергается дальнейшему фракционная кристаллизация. Две стадии эволюции приводят к увеличению доли несовместимых элементов.[16]

Начало тектоники плит

Схематическая диаграмма эволюции, показывающая влияние мантийного плюма на раннюю литосферу (темно-синий) и поверхностную протокору (коричневый). Это инициировало субдукцию и последующую глобальную тектонику плит в ранее неразделенной литосфере, в которой не было бокового движения поверхности. [17]

Субдукция, вызванная плюмом

Становление и развитие перья в ранней мантии способствовал запуску бокового движения коры по поверхности Земли.[18] Влияние восходящих мантийных плюмов на литосферу сегодня можно увидеть через местные впадины вокруг горячие точки Такие как Гавайи. Масштабы этого удара намного меньше, чем в архейском эоне, когда температуры мантии были намного выше. Локализованные участки горячей мантии поднимались на поверхность через центральный клин плюма, ослабляя поврежденную и уже тонкую литосферу.[7] Как только головка плюма вырывается на поверхность, корка с обеих сторон головы выталкивается вниз за счет сохранения массы, инициируя субдукцию.[19] Численное моделирование показывает, что только сильно энергетические плюмы способны ослабить литосферу настолько, чтобы разорвать ее, такие плюмы должны были присутствовать в горячей архейской мантии.[20]

До-тектоническая субдукция также может быть выведена из внутреннего вулканизма на Венере. Артемис Корона представляет собой большой плюм, образованный апвеллингом магмы, происходящей из мантии, и по своим масштабам потенциально сопоставим с архейской мантией.[1] Модели, использующие его известные характеристики, показали, что продолжающийся магматизм от проводящий тепло через шлейф вызвало гравитационный коллапс. Вес обрушения вызвал распространение окружающей коры наружу и последующую субдукцию по краям.[21] В безводный природа коры на Венере не позволяет ей скользить друг мимо друга, в то время как изучение изотопов кислорода позволяет подтвердить наличие воды на Земле, начиная с 4,3 млрд лет.[22] Таким образом, эта модель помогает обеспечить механизм того, как тектоника плит могла быть вызвана на Земле, хотя она не демонстрирует, что субдукция началась при самом раннем подтвержденном присутствии воды на Земле. На основании этих моделей начало субдукции и тектоники плит датируется 3,6 млрд лет.[21]

Поздняя тяжелая бомбардировка

Дальнейшая информация: Поздняя тяжелая бомбардировка

Кратер от удара также имел последствия как для развития субдукции, вызванной плюмом, так и для установления глобальной тектоники плит.[9] Повышение крутизны геотермических градиентов могло напрямую усилить конвективный перенос мантии, который теперь под все более трещиноватой литосферой мог создавать напряжения, достаточно большие, чтобы вызвать рифтогенез и разделение коры на плиты.[9]

Темпы роста коры

Графики, показывающие скорость роста континентальной коры с течением времени в процентах от общей массы, а также соответствующую толщину вновь образованной коры. График переработки земной коры представляет собой количество постформационных изменений, которым подверглась кора. Резкое увеличение переработки земной коры и снижение скорости роста земной коры примерно на 3,6Ga представляет собой начало субдукции и тектоники плит. Изменено из [23]

Литологическая датировка

Темпы роста земной коры могут использоваться для расчета оценок возраста континентальной коры. Это можно сделать путем анализа Магматические породы с тем же изотопический состав как исходная мантийная порода. Эти магматические породы датированы и считаются прямым свидетельством образования новой континентальной коры.[22] Полученные в результате возрасты изотопно молодых магматических пород дают отчетливые пики, представляющие увеличенную долю магматических пород и, следовательно, увеличенный рост коры, на 2,7, 1,9 и 1,2 млрд лет. Достоверность этих результатов подвергается сомнению, поскольку пики могут представлять периоды сохранения, а не усиление образования континентальной коры. Это подкрепляется тем фактом, что такие пики не наблюдаются в последнее геологическое время, когда считается, что магматизм в результате субдукции плиты сильно способствовала образованию новой коры.[23]

Скорость роста земной коры из магматических пород можно сравнить со скоростью, возникающей из радиогенный изотопные отношения в осадочных породах. Прогнозы темпов роста с использованием этих методов не дают смещенных пиков, вместо этого сглаживают неглубокие кривые, представляя более постоянную скорость роста земной коры.[23] Хотя образцы репрезентативны для больших периодов времени, обнаруживаются ограничения там, где образцы не отражают исключительно события магматического производства. Вместо этого пробы включают смешивание отложений, которое дает смесь исходных и измененных соотношений изотопов.[23]

Циркон знакомства

Циркон минералы могут быть как обломочный зерна из осадочных пород и кристаллы в магматических породах. Следовательно, комбинация форм циркона может обеспечить более точную оценку скорости роста коры. Кроме того, минералы циркона могут подвергаться Hf и О анализ изотопного отношения.[22] Это важно, поскольку изотопы Hf указывают, происходит ли порода из мантии или из существующей породы. Высокая δ18Значения O цирконов представляют собой породу, переработанную на поверхности Земли и, таким образом, потенциально образующую смешанные образцы.[24] Результатом этого комбинированного анализа являются достоверные цирконы, показывающие периоды увеличения образования земной коры на 1,9 и 3,3 млрд лет назад, последний из которых представляет период времени после начала глобальной тектоники плит.[23]

Рекомендации

  1. ^ а б Альбаред, Франциск; Бличерт-Тофт, Янне (19 декабря 2007 г.). «Раскол судьбы ранней Земли, Марса, Венеры и Луны». Геохимия (космохимия). 339 (14–15): 917–927. Bibcode:2007CRGeo.339..917A. Дои:10.1016 / j.crte.2007.09.006.
  2. ^ Эриксон, Джон (2014-05-14). Историческая геология: понимание прошлого нашей планеты. Публикация информационной базы. ISBN  9781438109640.
  3. ^ Конди, Кент С.; Астер, Ричард С .; Ван Хунен, Йерун (01.07.2016). «Большое тепловое расхождение в мантии в начале 2,5 млрд лет: геохимические ограничения, обусловленные зеленокаменными базальтами и коматиитами». Границы геонаук. 7 (4): 543–553. Дои:10.1016 / j.gsf.2016.01.006. ISSN  1674-9871.
  4. ^ а б «Ранняя дифференциация Земли». Письма по науке о Земле и планетах. 225 (3–4): 253–269. 2004-09-15. Дои:10.1016 / j.epsl.2004.07.008. ISSN  0012-821X.
  5. ^ Ито, Э .; Кубо, А .; Кацура, Т .; Уолтер, M.J (2004-06-15). «Эксперименты по плавлению материалов мантии в условиях нижней мантии с последствиями для дифференциации океана магмы». Физика Земли и планетных недр. 143–144: 397–406. Bibcode:2004ПЕПИ..143..397И. Дои:10.1016 / j.pepi.2003.09.016. ISSN  0031-9201.
  6. ^ Сизова, Е .; Геря, Т .; Stüwe, K .; Браун, М. (01.12.2015). «Генерация кислой коры в архее: перспективы геодинамического моделирования». Докембрийские исследования. 271: 198–224. Bibcode:2015Пред..271..198С. Дои:10.1016 / j.precamres.2015.10.005. ISSN  0301-9268.
  7. ^ а б Fischer, R .; Герия, Т. (01.10.2016). "Тектоника шлейфа-крышки ранней Земли: подход к трехмерному численному моделированию с высоким разрешением". Журнал геодинамики. 100: 198–214. Bibcode:2016JGeo..100..198F. Дои:10.1016 / j.jog.2016.03.004. ISSN  0264-3707.
  8. ^ а б c d е Фрей, Герберт (1980-02-01). «Эволюция земной коры ранней Земли: роль основных воздействий». Докембрийские исследования. 10 (3–4): 195–216. Bibcode:1980PreR ... 10..195F. Дои:10.1016/0301-9268(80)90012-1. HDL:2060/19790015389. ISSN  0301-9268.
  9. ^ а б c d "Бомбардировка ранней Солнечной системы: Науки о Земле". www.nature.com. Получено 2018-10-01.
  10. ^ а б Фрей, Герберт (1977-10-01). «Происхождение бассейнов океанов Земли». Икар. 32 (2): 235–250. Bibcode:1977Icar ... 32..235F. Дои:10.1016/0019-1035(77)90064-1. ISSN  0019-1035.
  11. ^ а б c Тейлор, Стюарт Росс (1989-04-20). «Рост планетарных корок». Тектонофизика. 161 (3–4): 147–156. Bibcode:1989Tectp.161..147T. Дои:10.1016/0040-1951(89)90151-0. ISSN  0040-1951.
  12. ^ а б Нна-Мвондо, Дельфина; Мартинес-Фриас, Хесус (15 февраля 2007 г.). «Обзор коматиитов: от геологических условий Земли до планетных и астробиологических контекстов». Земля, Луна и планеты. 100 (3–4): 157–179. arXiv:физика / 0512118. Bibcode:2007EM&P..100..157N. Дои:10.1007 / s11038-007-9135-9. HDL:10261/8082. ISSN  0167-9295. S2CID  34892288.
  13. ^ а б c Сантош, М .; Arai, T .; Маруяма, С. (2017-03-01). «Гадейская Земля и первозданные континенты: колыбель пребиотической жизни». Границы геонаук. 8 (2): 309–327. Дои:10.1016 / j.gsf.2016.07.005. ISSN  1674-9871.
  14. ^ Конди, Кент С. (25 августа 2011 г.). Земля как развивающаяся планетная система. Академическая пресса. ISBN  9780123852274.
  15. ^ Тейлор, Стюарт Росс (1985). Континентальная кора: ее состав и эволюция. Научные публикации Блэквелла.
  16. ^ а б c Taylor, S. R .; МакЛеннан, С. М. (1 января 1985 г.). «Континентальная кора: ее состав и эволюция». OSTI  6582885. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  17. ^ Уэда, Косуке; Герия, Тарас; Соболев, Стефан В. (2008-12-01). «Инициирование субдукции термохимическими струями: численные исследования». Физика Земли и планетных недр. 171 (1–4): 296–312. Bibcode:2008ПЕПИ..171..296У. Дои:10.1016 / j.pepi.2008.06.032. ISSN  0031-9201.
  18. ^ Kröner, A .; Layer, P. W. (1992-06-05). «Формирование земной коры и движение плит в раннем архее». Наука. 256 (5062): 1405–1411. Bibcode:1992Научный ... 256.1405K. Дои:10.1126 / science.256.5062.1405. ISSN  0036-8075. PMID  17791608. S2CID  35201760.
  19. ^ Whattam, Scott A .; Стерн, Роберт Дж. (01.01.2015). «Возникновение субдукции, вызванной позднемеловым плюмом, вдоль южной окраины Карибского бассейна и северо-западной части Южной Америки: первый задокументированный пример, имеющий значение для начала тектоники плит». Исследования Гондваны. 27 (1): 38–63. Bibcode:2015GondR..27 ... 38Вт. Дои:10.1016 / j.gr.2014.07.011. ISSN  1342-937X.
  20. ^ Герия, Т. В .; Stern, R.J .; Baes, M .; Соболев, С. В .; Ваттам, С.А. (01.11.2015). «Тектоника плит на Земле, вызванная инициированием субдукции, вызванной плюмом». Природа. 527 (7577): 221–225. Bibcode:2015Натура. 527..221G. Дои:10.1038 / природа15752. ISSN  0028-0836. PMID  26560300. S2CID  4451700.
  21. ^ а б Ван Кранендонк, Мартин Дж (2010). «Два типа архейской континентальной коры: плюмовая и тектоника плит на ранней Земле». Американский журнал науки. 310 (10): 1187–1209. Bibcode:2010AmJS..310.1187V. Дои:10.2475/10.2010.01.
  22. ^ а б c Cavosie, A.J .; Valley, J.W .; Wilde, S.A .; e.i.m.f (15.07.2005). «Магматическое δ18O в обломочных цирконах 4400–3900 млн лет: запись изменения и рециклинга земной коры в раннем архее». Письма по науке о Земле и планетах. 235 (3–4): 663–681. Bibcode:2005E и PSL.235..663C. Дои:10.1016 / j.epsl.2005.04.028. ISSN  0012-821X.
  23. ^ а б c d е Hawkesworth, C.J .; Кемп, А. И. С. (19 октября 2006 г.). «Эволюция континентальной коры». Природа. 443 (7113): 811–817. Bibcode:2006Натура.443..811H. Дои:10.1038 / природа05191. ISSN  1476-4687. PMID  17051208. S2CID  2337603.
  24. ^ Конди, К. С. (июнь 2014 г.). «Рост континентальной коры: баланс между сохранением и переработкой». Минералогический журнал. 78 (3): 623–637. Bibcode:2014MinM ... 78..623C. Дои:10.1180 / minmag.2014.078.3.11. ISSN  0026-461X. S2CID  129173474.