研究揭示新机制解释大陆如何稳定

古老而广阔的大陆地壳，即克拉通，帮助地球大陆数十亿年来保持稳定，即使大陆块移动、山脉上升和海洋形成。宾夕法尼亚州立大学的科学家提出的一种新机制可能解释了克拉通是如何在大约 30 亿年前形成的，这是地球历史研究中一个永恒的问题。

科学家们今天(5 月 8 日)在《 自然》 杂志上报告称，大陆可能并非以稳定的陆地形式从地球海洋中浮现出来，其标志是富含花岗岩的上地壳。相反，大约 30 亿年前，新鲜岩石暴露在风雨中引发了一系列地质过程，最终稳定了地壳——使地壳能够存在数十亿年而不会被破坏或重置。

科学家表示，这一发现可能代表着对潜在宜居类地行星如何演化的新认识。

“要形成像地球这样的行星，你需要形成大陆地壳，并且需要稳定地壳，”宾夕法尼亚州立大学地球科学助理教授、这项研究的作者杰西·雷明克 (Jesse Reimink) 说道。“科学家们认为它们是同一件事——大陆变得稳定，然后出现在海平面以上。但我们要说的是，这些过程是分开的。”

科学家说，克拉通从地球表面延伸到上地幔超过 150 公里，即 93 英里，在那里它们就像船的龙骨一样，使大陆在整个地质时期内都漂浮在海平面或接近海平面。

风化作用最终可能将铀、钍和钾等产热元素集中在浅层地壳中，从而使深层地壳冷却变硬。科学家表示，这种机制形成了一层厚而坚硬的岩石，可能保护了大陆底部免受后来的变形——这是克拉通的一个典型特征。

“形成和稳定大陆地壳的秘诀在于将这些产热元素(可以被认为是小型热机)集中在非常靠近地表的地方，”宾夕法尼亚州立大学地球科学副教授、这项研究的作者安德鲁·斯迈说。“你必须这样做，因为每次铀、钍或钾原子衰变时，它都会释放热量，从而提高地壳的温度。热地壳是不稳定的——它很容易变形，不会停留在地壳上。”

科学家说，随着风、雨和化学反应分解早期大陆上的岩石，沉积物和粘土矿物被冲入溪流和河流，并被带到海洋，在那里形成了页岩等富含铀、钍和钾的沉积物。

板块碰撞将这些沉积岩埋入地壳深处，页岩释放的放射性热量引发下地壳的熔化。熔体浮力大，上升回上地壳，将产热元素困在花岗岩等岩石中，使下地壳冷却变硬。

据信克拉通形成于 30 亿至 25 亿年前，当时铀等放射性元素的衰变速度大约是今天的两倍，释放的热量也是今天的两倍。

雷明克说，这项研究强调了中土世界早期克拉通形成的时期特别适合导致其变得稳定的过程。

“我们可以把这看作是一个行星演化问题，”雷明克说。“形成像地球这样的行星的关键因素之一可能是在其生命周期的相对较早时期大陆的出现。因为你将创造非常热的放射性沉积物，并产生一片非常稳定的大陆地壳，它位于海平面附近，是生命繁衍的绝佳环境。”

研究人员分析了数百个太古代岩石样本中的铀、钍和钾浓度，这些岩石样本来自克拉通形成的时期，目的是根据实际岩石成分评估放射性生热率。他们利用这些值创建了克拉通形成的热模型。

“以前人们已经研究并考虑过放射性产热随时间变化的影响，”斯迈说。“但我们的研究将岩石产热与大陆的出现、沉积物的形成和大陆地壳的分化联系起来。”

克拉通通常位于大陆内部，其中包含一些地球上最古老的岩石，但研究起来仍然具有挑战性。在构造活跃的地区，山脉带的形成可能会将曾经深埋地下的岩石带到地表。

但克拉通的起源仍深藏地下，无法到达。科学家表示，未来的工作将涉及对克拉通古代内部进行取样，或许还会钻取岩心样本来测试他们的模型。

“这些变质的沉积岩融化后形成了富含铀和钍的花岗岩，就像记录压力和温度的黑匣子飞行记录仪，”斯迈说。“如果我们能解开这个档案，我们就能测试我们的模型对大陆地壳飞行路径的预测。”

宾夕法尼亚州立大学和国家科学基金会为这项工作提供了资金。

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