太陽系中為什麼只有地球才有花崗岩？選自《10000個科學難題·地球科學卷》

太陽系中只有地球才有花崗岩？

最古老岩石是什麼時候形成的？

沖積河流為什麼會變得彎曲？

地核是怎樣形成的？

太陽系中還有其他生命的世界嗎？

答案就在

《10000個科學難題·地球科學卷》

專業·正版·實惠·神秘福利

「10000個科學難題」編委會 科學出版社

內容提要

本著「研究生願選題，大學生能通讀，高中生感興趣」的原則，著重介紹地球科學領域科學難題的來龍去脈，闡述這些難題的的研究進展，指出這些難題的難點所在及解決這些難題的可能途徑。「難題」涉及的內容基本上覆蓋了地球科學的主要領域，在一定程度上反映了這些領域國內外的前沿研究水平。「難題」的撰寫在保證科學上嚴謹性的同時，力圖深入淺出、圖文並茂，以增加趣味性和可讀性。

本書按地球科學研究領域編排，括：地理科學、地質學、地球化學、地球物理、大氣科學、海洋科學。可供地球科學及相關學科的大學本科生、研究生和專業研究人員與教師參考，也可供對地球科學感興趣的高中學生和業餘愛好者閱讀。

為什麼在太陽系中只有地球才有花崗岩?

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

撰文丨吳福元

單位：中國科學院地質與地球物理研究所

太陽系是由包括地球在內的九大行星所組成的, 其中地球以藍色的海洋和綠色的大地而區別於其他行星。從地球科學的角度來說, 地球還有很多區別於其他行星的地方, 其中花崗岩就是一例。

我們大家都很熟悉花崗岩, 它是地球上的一種重要岩石類型。我們很多的風景區實際上就是花崗岩地貌, 如安徽的黃山 (圖1左)、九華山和天柱山、江西的三清山、山東的泰山與嶗山、遼寧的千山、陝西的華山等。我們很多的石材也是花崗岩的, 比如國家大劇院裝飾用的「夜玫瑰」(圖1右) 就是產于山西的一種花崗岩。當然, 花崗岩還與眾多的礦產有聯繫。我國華南鎢錫礦的形成就與花崗岩關係密切。實際上, 我們人類使用的許多金屬礦產都與花崗岩有關。

圖1 黃山花崗岩風景(左)及著名花崗岩石材(右, 夜玫瑰)

照片來源：網路資料

花崗岩呈現各種各樣的顏色, 並具有不同的特徵。但從礦物學上來說, 它主要由淺色的以硅鋁為主要元素的長石 (包括斜長石和鉀長石)和石英組成, 含少量以鐵鎂為主要元素的雲母與角閃石。地質學家通過百餘年的研究發現, 花崗岩是組成地球大陸地殼的重要岩石類型；而大洋地殼則與大陸地殼不同[1], 它主要由斜長石和鎂鐵質含量高的輝石和橄欖石等暗色礦物組成, 在岩石類型上主要為玄武岩(噴發到地表的火山岩)和輝長岩(侵入到地下的岩漿岩)。那麼，為什麼只有大陸上才有花崗岩呢?

要回答這一問題, 我們還需要了解花崗岩的形成過程。我們說, 地球是由內部的地核、外部的地幔和表層的地殼所組成, 其中大陸地區地殼的平均厚度大約在40km左右[2]。地球在初始形成時並沒有地核、地幔和地殼之分, 但隨著地球的演化, 其內部要發生熔融。由於地球的初始物質是富鐵鎂的, 它的熔融只產生玄武質岩漿, 形成類似於大洋成分的地殼，但當玄武質岩石再次發生熔融時, 它就形成了以硅鋁為主要組分的花崗岩，花崗岩的密度要明顯小於玄武岩。這樣, 隨著地球上大洋板塊的俯衝, 密度較大的洋殼俯衝進入地幔，而以花崗岩為主要組成的大陸便能長期保留下來。目前見到的大洋地殼，年齡都小於2億年, 而大陸地殼則可老至40億年。且隨著時間的進行, 保存的大陸地殼又多次被熔融, 使其成分不斷向硅鋁質增多的方向進行,而殘留的鎂鐵質物質可以通過適當方式返回地幔[3~5]。這種過程反覆進行,使地球的大陸地殼不斷向穩定的方向發展。可以說,花崗岩的多少是衡量地殼發育程度的重要岩石學標誌。

根據目前人類所掌握的資料,太陽系內其他行星並沒有發現有花崗岩的存在；或者說,花崗岩是地球區別於太陽系內其他行星的重要岩石學標誌。這一情形的出現實際上也是與這些行星的演化程度和歷史有關。正如前面敘述的那樣,花崗岩是地殼演化程度的岩石學指標, 正是由於這些行星的地殼演化程度較低,才沒有出現地球上出現的花崗岩。如月球,它是除地球以外人類研究較多的另外一個星體。

從月球隕石和月球返回的樣品發現,月球上不存在花崗岩,或者說, 花崗岩極為少見。其主要原因是因為月球在經歷了早期的岩漿海階段後便「死寂」了,除了偶爾有隕石來訪外,月球上目前不存在什麼地質活動。

其他天體不存在花崗岩的另一個重要原因是水。在所有的地質過程中,水起著十分重要的作用，如果沒有水, 所有的岩石都很難發生熔融。而水加入到岩石中以後,可顯著降低岩石的熔點,進而使其發生熔融。所以,水是形成花崗岩必不可少的重要組分[6]。地球正是由於水的存在,才使大量花崗岩的出現成為可能,而這是其他星體所不具備的。那太陽系外的其他天體中是否也都不存在花崗岩呢?我們現在還不能給出確切的答案。但這一問題十分重要,因為只有演化成熟的天體才有可能出現類似地球上的生命,而尋找到地球以外的生命一直是人類孜孜以求的夢想。

（選自10000 個科學難題·地球科學卷）

參考文獻

[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.

礦業界採用新的快遞運送，泡泡紙不留死角包裝，可放心購買，我的地盤，你是地主！

礦業界書城購買鏈接：

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

礦業界書城精美著作持續上架中~~~

看點

最全目錄

《10000個科學難題》序

前言

地理科學

長江與黃河河谷是怎樣形成？ 潘保田 高紅山 師長興

河流河床物質組成沿流程變細過程中為什麼存在突變現象？許炯心

如何對於沖積河流河床形態方程進行封閉求解？許炯心

沖積河流為什麼會變得彎曲？許炯心

下墊面性質變化對局地氣候影響的定量解釋 顧衛

灰霾天氣的形成與演化 吳兌

分布式水文模型 洪陽 陳永勤 王加虎

缺資料流域的水文預報 劉蘇峽 夏軍

土壤脫硅富鋁化的熱、動力學條件是什麼？ 張甘霖 沈仁芳 黃景

種域大小地理梯度的Rapoport法則 沈澤昊

SLOSS-自然保育問題中的「獨大與數小」爭論 康慕誼 朱源

森林-草原過渡帶的生態機理 康慕誼 劉鴻雁 朱源

高山林線的形成機理 羅天祥 康慕誼 張林

森林植被分布的異常格局 羅天祥 張林

為什麼不同地區生物群會有如此大的差異？ 李宜垠

中國不同植被類型主要植物種類相對花粉產量和花粉源範圍 許清海 李月叢

樹輪氣候重建中低頻信號的提取 勾曉華 劉禹

中全新世晚期中國森林植被衰退的原因——氣候變化或人類活動？ 趙艷 陳發虎

農業起源之謎 安成邦 董廣輝 陳發虎

史前大洪水之謎 安成邦 董廣輝

我國內陸乾旱區末次冰期間冰段「大湖期」 陳發虎 范育新

亞洲內陸乾旱區降水變化的「西風模式」 陳發虎 張家武 趙艷 安成邦 陳建徽

中世紀暖期和小冰期是全球性的還是區域性的氣候異常？ 陳發虎 陳建徽 楊保

地理環境演變過程中的尺度效應和尺度轉換問題 陳振樓 王軍

環境基準及其賦值問題 周啟星

多種污染物的交互作用 劉文新 陶澍

如何定量區分環境污染與其他因素對人體健康的危害 劉文新 陶澍

複雜環境體系中化學污染物的鎖定和老化現象及其機理 孫紅文

新型污染物的環境污染和環境行為 祝凌燕

水環境中納米顆粒物的環境行為 陳振樓 楊毅

水體富營養化發生機理 陳振樓 王東啟

超積累植物積累機理及其成因 魏樹和 劉家女

自然固氮和脫氮機制 陳振樓 王東啟

為什麼難以確定可更新資源開發利用的臨界值？ 周濤

為什麼難以制定自然資源開發最優方案？ 周濤

災害鏈傳遞機理 趙晗萍

自然災害的風險與損失評估 李寧

自然災害周期性 張繼權

人地關係地域系統及其在地球表層系統中的地位 陸大道

社會經濟空間結構的「點-軸系統」形成機制 陸大道

如何理解社會經濟的空間結構及形成的影響因素 陸大道

地域功能生成原理及其主要影響因素.樊傑 陶岸君

全球環境變化中文化與制度因子的作用方式與機理 劉衛東 宋周鶯

信息技術因子對區域空間重組的作用機理 劉衛東 宋周鶯

地域文化的尺度間整合過程 周尚意

城市化過程與動力機制 方創琳 鮑超

巨型城市的形成機制與發展趨勢 顧朝林

城市蔓延的機理與規律 顧朝林

半城市化地區的形成機理與識別方法 劉盛和

產業集群的形成機制與空間效應 張文忠

產業空間轉移的周期性及其原理 張文忠

鄉村地域類型分異與重構機制 劉彥隨

新時期農業生產基地的形成與發展 劉彥隨

交通網路形成與演化的人文環境效應 金鳳君 王成金

區域間相互依賴性的原理與測算方法 樊傑

空間可達性內涵和測算方法 王成金 金鳳君

城市人口規模的確定方法和測算 周春山

地質學

地球奇想：問地問天 劉嘉麒

生命起源 袁訓來

陸生植物登陸之謎 王懌

動物起源和寒武紀大爆發 朱茂炎

脊椎動物起源與早期演化 朱敏

鳥類及其羽毛和飛行的起源 周忠和

生物大滅絕之謎 沈樹忠 詹仁斌

生物大滅絕後的復甦 童金南

人類的起源 高星 劉武

地球生物學與微生物地質過程 謝樹成 段鴻福

大陸的形成、演化及其動力學 董雲鵬 張國偉

地球上大陸的地質歷史：多個大陸裂解-重組演化旋迴，還是圍繞古陸核向外逐漸生長？ 李錦軼

超大陸的形成、解體與演化 陸松年

大陸岩石圈的多層拆離構造作用 顏丹平

地幔柱構造及其驗證 張招崇

板內構造過程 林偉

盆山耦合 舒良樹

克拉通內盆地的成因 孟慶任

特提斯的魅力——起源、演化和資源環境效應 陳智梁

超高壓變質作用 張立飛

神秘的古亞洲洋 肖文交 張繼恩 韓春明

活動構造 張培震

中國大陸強震與活動地塊 張培震

世界的石油天然氣還能用多久？ 周總瑛 何治亮

超量煤層氣的賦存狀態與產出過程 侯泉林

如何把煤礦「暴戾殺手」變為寶貴的清潔能源 葉欣 何治亮

重要的戰略替代能源——非常規油氣資源 包書景 何治亮

無機作用對油氣的貢獻 劉池洋 邱欣衛

天然氣藏中劇毒的H2S的形成與安全利用 劉全有 何治亮

中國陸相盆地油氣資源豐富的根本原因 邱欣衛 劉池洋

中國海相盆地油氣勘探難度大的癥結 王建強 劉池洋

超大鈾礦鈾源之爭與地球鈾不均一性 李子穎 張金帶

礦產資源的偏富極 劉池洋 邱欣衛

適於地球巨型複雜系統的研究方法 劉池洋 張東東

滑坡災害及其預報 黃潤秋

泥石流的起動機理和阻力規律 余斌 唐川

地下工程或地下開採的地質災害超前預報 李天斌

高放射性核廢物的最終安全處置 王駒

水庫誘發地震的機理及預測 馬文濤

地面沉降 薛禹群

千古之謎——1908通古斯大爆炸 侯泉林

地球化學

深俯衝大陸地殼是如何折返的？ 李曙光

大陸地殼形成過程中的鈮（Nb）-鉭（Ta）之謎 肖益林

地球上最古老的岩石是什麼時候形成的？ 吳福元

為什麼在太陽系中只有地球才有花崗岩？ 吳福元

穩定的大陸克拉通為什麼會被破壞？ 吳福元

雪球地球假說 鄭永飛 儲雪蕾

全地幔對流與上下地幔化學分層 孫衛東 黃金水

下地幔密度陷阱 孫衛東 黃金水

地幔柱是否存在？ 徐義剛

可以通過計算模擬來預測地球內部物質及其物性嗎？ 段振豪 劉耘 陸獻彩 張志剛 張馳 崔航

地球鉛同位素之謎 李獻華

地幔組成的不均一性及其成因 李曙光

地核是怎樣形成的？ 李潔

地核中的輕元素之謎 李潔

地核的溫度究竟有多高？ 段振豪 崔航 張志剛

太陽系中最古老的物體是如何形成的？ 徐偉彪

地球-月球系統的撞擊成因假說 林楊挺

滅絕核素的分布和起源 林楊挺

太陽系的氧同位素異常 林楊挺

太陽系中還有其他生命的世界嗎？ 李一良

地球大氣何時氧化？ 蔣少涌 趙葵東 儲雪蕾

地質歷史時期大規模海洋有機質堆積事件發生的原因 彭平安

元古宙的海洋化學——硫化海洋 儲雪蕾

大規模火山噴發是生物滅絕的元兇？ 徐義剛 沈樹忠

地球存在一個深部生物圈嗎？ 李一良

地球上生命從什麼時候開始的？ 李一良

地球生態系統的終結：我們還有多長時間？ 李一良

早期地球上有機質的非生物合成及其演化 周懷陽 季福武

海底冷泉及其生態系統 馮東 陳忠 陳多福

青藏高原隆升能引起全球氣候變化嗎？ 吳福元 郭正堂

從中國黃土保存的核素10Be和磁化率的記錄重演過去環境變化 周衛健

白雲岩成因與碳酸鹽礦物氧同位素分餾 鄭永飛 蔣少涌

為什麼非傳統穩定同位素在高溫下可以分餾？ 滕方振

非質量同位素效應產生的機理 蔣少涌 趙葵東

持久性有機污染物的「全球蒸餾效應」如何驗證？ 王繼忠 曾永平

毒性物質一定致命嗎？ 曾永平 倪宏剛

天然氣水合物：地史時期地質災變事件的無形殺手？ 王欽賢 李一良 陳多福

是地球上早期生命導致前寒武紀硅鐵建造的形成嗎？ 李一良

微生物在礦物形成過程中的作用 周懷陽 彭曉彤

天然氣水合物形成與開發利用 吳能友 郭光軍 陳多福

地球深部超臨界流體 熊小林 鄭永飛

地球上水的來源 夏群科 劉少辰

海洋Nd同位素與Nd元素濃度悖論 凌洪飛

地球物理

海嘯 陳運泰

地震預測 陳運泰

熱流佯謬 陳運泰

地震早期預警 倪四道

地下應力大小的測定 許忠淮

為何只有少數大地震有直接前震？ 許忠淮

地震震源破裂的物理過程 章文波 張海明

基於物理過程的強地表運動預測 史保平 孟令媛

地幔對流與板塊構造學說 黃金水 鍾時傑

熱點與地幔熱柱假說 黃金水 傅容珊

地震層析成像 江燕 陳曉非

慢地震 彭志剛

大地測量中動力學因素的探測與分離 楊元喜

內核是超速旋轉的嗎？ 申文斌 寧津生

十年尺度日長變化之謎 申文斌

高解析度厘米級全球大地水準面的確定 李建成 申文斌 晁定波

地球液核長周期振蕩的研究與探測 徐建橋 孫和平

高解析度地球重力場時變信息獲取 張子占 鍾敏 鄭偉 許厚澤

地球內核平動振蕩 雷湘鄂 徐建橋

錢德勒擺動的激發源是什麼？ 閆昊明

宇宙零與演化 楊寶俊 於晟

地球介質地震波完整傳播理論及有效近似 楊寶俊

深資源高精度地震探測 楊寶俊 劉財 李月

「上天容易入地難」是真的嗎？ 於晟 楊寶俊 李月 劉財

地球層圈結構中流體的作用 楊寶俊 林君 李月

人類活動能誘發地震嗎？ 陳顒

大陸岩石圈中放射性生熱率的垂向分布 何麗娟 汪集暘

地磁場起源 朱日祥 劉青松

同震電磁信號是否存在？ 黃清華

大陸地殼及岩石圈形變機制與動力學 沈正康

水岩相互作用與地震過程的成因機制 黃輔瓊

地幔轉換帶是含水的嗎？ 黃曉葛

亞穩態橄欖石在地幔過渡帶中的存在狀態 寧傑遠

太陽爆發的能量是如何釋放的？ 陳耀

太陽風的起源 宋禮庭

太陽風湍流的形成與耗散機制 何建森

日冕加熱機制 王赤 任麗文

極光之謎 宋禮庭

地球空間電流體系 徐文耀

磁層空間中的波-粒相互作用 傅綏燕

無碰撞磁場重聯的觸發機制及其電子動力學行為 陸全明

地球磁暴和亞暴產生機制 宗秋剛 張湘雲

磁層-電離層-大氣層耦合 徐寄遙 姜國英

電離層年度變化因何異常？ 萬衛星 余濤

電離層E區的突發層狀結構：Es層 萬衛星 左小敏

大氣和空間過渡區域中的奇異現象和基本物理過程 易帆

空間天氣災害 王赤 任麗文

地磁導航與生物啟迪 杜愛民 潘永信

大氣科學

水汽是如何進入平流層的？ 卞建春

建立什麼樣的立體觀測網才能滿足天氣和氣候變化監測與預報的需要？ 陳洪濱

大氣中准兩年周期振蕩現象及其影響 魏科 陳文

地球氣候系統與多圈層相互作用 丁一匯

氣候變化與溫室氣體 丁一匯

生物氣溶膠在大氣冰核核化過程中的作用 杜睿

大氣垂直速度的準確計算問題 高守亭

氣溶膠在雲降水形成中的作用與人工影響天氣 郭學良

大氣邊界層和風能資源開發 胡非

新粒子生成 胡敏 岳玎利

平流層對對流層天氣和氣候的影響 胡永雲

東亞季風系統 黃榮輝

極地氣候變化及其影響 劉驥平

太陽活動與地球天氣氣候 呂達仁

集合資料同化中的模式誤差估計問題 孟智勇

非均勻大氣條件下輻射傳輸及其效應 毛節泰

城市與區域大氣複合污染 邵敏

氣候敏感性與反饋 孫穎

青藏高原對東亞氣候變化的影響 段安民 吳國雄

地球大氣的電學問題及氣候效應 郄秀書

雷暴起電與閃電過程及機理 郄秀書

雷電放電的物理、化學效應 郄秀書 楊靜

全球碳循環與氣候變化 徐永福

氣候極值 嚴中偉

生物氣溶膠的實時檢測 要茂盛

暴雨災害天氣的機理和預測研究 趙思雄 孫建華

城市化對氣候變化的影響 趙宗慈

人類活動在全球氣候變化中的作用 趙宗慈

自然因素在全球氣候變化中的作用 趙宗慈

人為活動改變全球氮循環的氣候凈效應 鄭循華

東亞獨特氣候變化的特徵和成因研究 周天軍

氣候系統模式與氣候變化的模擬和預測 周天軍

城市化對氣候變化的影響 趙宗慈

人類活動在全球氣候變化中的作用 趙宗慈

自然因素在全球氣候變化中的作用 趙宗慈

人為活動改變全球氮循環的氣候凈效應 鄭循華

東亞獨特氣候變化的特徵和成因研究 周天軍

氣候系統模式與氣候變化的模擬和預測 周天軍

海洋科學

大洋西邊界環流系統三維結構理論的建立 王凡

氣候年代際變化的成因及預測 吳立新 李春

海洋混合——撬起海洋運動的支點 田紀偉

熱鹽環流的形成及演變機理 王偉

厄爾尼諾預測能力還有多少提升空間？ 陳大可

海-氣相互作用 喬方利

全新世千年尺度的氣候波動 李鐵剛

海岸地區是大氣二氧化碳的源還是匯 陳鎮東

海洋深部的空間遙感觀測研究 嚴曉海

海洋中溶解有機碳的年齡差異 王旭晨

海洋鈣化生物的不幸：海洋酸化 高坤山

生物可利用氮在海洋的儲量隨冰期-間冰期變化？ 高樹基

為什麼海床深部沉積物中有生命的存在？ 王桂芝

海洋吸收人為二氧化碳的能力會達到飽和嗎？ 翟惟東 戴民漢

陸源物質的輸入如何影響近岸海區的CO2源匯格局？ 郭香會 蔡衛君

海洋微型生物碳泵 焦念志

海洋病毒——從納米尺度上影響全球生態系統 張銳 焦念志

非嗜熱古菌：海洋全球碳氮循環的新角色 張傳倫

地球上的基因工程實驗室——海洋微生物的基因轉移 張銳 陳峰

深海微型生物群落的代謝途徑及其環境效應 張瑤 焦念志

海洋微型生物的物種之謎？——從純系培養到環境基因組學研究的啟示 歐丹雲 胡安誼 焦念志

環境友好海洋污損生物防除 柯才煥 馮丹青

深海熱液生態系統 肖湘 李一良

喜馬拉雅山脈隆升的過程及其氣候環境後果 楊守業

「滄海桑田」與海平面變化 楊守業

深海沉積物輸運與沉積機制 范代讀

如何評價大型水利工程對河口及近海生態系統的影響？ 楊作升

俯衝板塊的撕裂：原因與結果 李春峰 楊挺 薛梅

海洋沉積動力過程對地質記錄的影響問題 高抒

令人費解的與海溝平行的地幔地震各向異性觀測 陳永順

為什麼沒有深度超過660公里的深源地震？ 陳永順

什麼因素控制俯衝帶地震的大小？ 王克林

編後記

·END·

長摁二維碼

請您繼續閱讀更多來自 礦業界 的精彩文章: