科研人员揭示花岗质月壳的诞生

四十年前，Campbell和Taylor在论述大陆起源时提出“No water, no granite”。这一地学界经典名言生动刻画了水在花岗质地壳形成过程中的主导地位。板块构造是水进入地球内部的有效方式，因而花岗质大陆地壳成为地球区别于太阳系其他贫水、无板块构造星球的重要标志之一。然而，遥感探测、原位探测和地外样品研究发现，在火星、金星、小行星和月球上同样存在花岗质/长英质岩石。尤其越来越多证据揭示月球发育有较大规模的富硅火山月壳建造，刷新了人类对月球岩浆活动的认知，并对地球大陆起源研究提出新挑战。

目前，月球遥感探测已发现多个富硅火山建造（图1）。它们呈穹窿状，具有高粘度、高反射率、强紫外吸收和低铁含量的特征，富含放射性生热元素，主要由石英、富硅玻璃和碱性长石组成，主体形成于约40-36亿年前，总面积超过5000 km2，构成了初具规模的花岗质月壳。这些花岗质月壳与地球初始陆壳形成时间耦合，对探讨非板块构造体制下的大陆起源具有重要借鉴意义。

已有研究认为，花岗质月壳有可能通过两种途径形成，即玄武质岩浆高程度结晶分异和不混溶作用、玄武质月壳再熔融。玄武质岩浆经历～90%-98%的结晶分异之后，会熔离成富铁相和富硅相两种熔体。这种熔体不混溶作用可以解释月球返回样品中显微花岗岩岩屑和花岗质玻璃的形成，但无法用来解释大规模富硅火山建造（直径～5-40 km）的出现。相比之下，玄武质月壳再熔融更有可能形成规模可观的花岗质月壳。这是地球大陆起源的主流观点。然而，月球玄武岩普遍含有橄榄石（即硅不饱和），再熔融能否形成花岗质熔体以及月壳再熔融的机制仍是未解之谜。

为了破解这一谜团，中国科学院地质与地球物理研究所和北京大学，对月球表面出露的所有岩石类型（高地斜长岩、镁质岩套、碱性岩套、克里普玄武岩、低钛玄武岩和高钛玄武岩）开展了系统的热力学模拟工作，定量计算月壳岩石部分熔融的条件和熔体成分，进一步通过放射性生热模拟和陨石撞击数值模拟，限定了月壳再熔融的发生机制，并获得如下新认识：小部分月壳岩石（克里普玄武岩和高钛玄武岩）在无水条件下再熔融可以产生花岗质熔体，最佳熔融温度区间为～850-1000 ℃（图2）；只有克里普玄武岩部分熔融（～20%以内）能够形成较大规模的富硅火山建造，因此是花岗质月壳的最佳源区；克里普玄武岩可在月壳底部通过1-2亿年放射性元素生热发生熔融（内动力），还可通过晚期重轰击（LHB）在月壳浅部再熔融形成花岗质月壳（外动力）（图3）。

研究表明，尽管月球贫水、没有板块构造运动，但在内、外动力共同作用下通过玄武质月壳再造仍可以产生花岗质岩浆，孕育出“初始陆壳”。随着地外天体富硅岩石的不断发现，我们需要重新审视地球早期大陆的起源，构建前板块构造体制下大陆形成和演化新理论。相对于地球，内太阳系其他星球保留较完整的早期岩浆和构造记录，可作为地球的历史档案馆。比较行星学研究有望为透视地球早期演化过程提供新思路。

相关研究成果发表在《通讯-地球与环境》（Communications Earth & Environment）上。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院重点部署项目和地质地球所重点部署项目的支持。

来源：中国科学院地质与地球物理研究所

转自：“中科院之声”微信公众号

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