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那些术语真的不是人名吗?比如我就叫“柯石英”

叶海龙、方解石、高岭土、甘露醇、白垩纪、余弦……这些是术语,还是Geek范儿满满的人名?

噢对了,我叫柯石英——当然,是网名。

我在加州大学圣克鲁兹分校读的是古环境学,本科在中国科大读的地球化学。前段时间,我在微信上找一位科大的师兄有事。

看到他喊我石英,这时我还在天真地想,第一次听见有人喊我网名也称呼得如此有亲昵感。但接下来师兄的一条回复让我意识到事情好像有些不对劲……

等会……这是我学了地化之后才改……啊,才起的名字啊!我真名不姓柯也不名石英啊!

师兄你别走,我们班还有一个叫“粗面岩”的,你要不要也给他点个赞啊!

哦,忽略我最后那个弱气的表情……虽然被认错成真名是第一次,但确实有很多小伙伴问过我这名字什么意思,所以我决定来科普一下柯石英是什么,以及一个与柯石英相关的地学故事。

柯石英是什么?

首先,柯石英是啥玩意呢?如果去掉“柯”字,大家就不觉得陌生了吧。而柯石英与石英的关系有些类似于金刚石与石墨,或是水与冰的关系。两者组成成分都是二氧化硅,但是在不同的温度、压力条件下,物质可以在不同形态间转变:

上图中的压力单位1Gpa相当于1万个大气压,也就是说,石英转变成柯石英需要的条件是“超高压”。柯石英最早是由化学家柯斯(Coes)在750度,35000个大气压的条件下实验室合成的,而这也是柯石英(coesite)名称的由来。在自然界,柯石英又是从何而来的呢?

里面的大小颗粒就是我,柯石英。图片来源:snipview.com

一种情况是,柯石英是被撞出来的。陨石撞击瞬间产生的压力能够达到柯石英的形成条件,不过这里要说的则是另一种机制:来自地球内部的压力。

上世纪90年代初,安徽省地矿局的地质学家在大别山发现了榴辉岩中包裹的柯石英。这里显然没有陨石坑,柯石英的生产工厂只能是地球内部。人们知道柯石英形成所需的温度、压力条件,知道地球内部温度、压力随深度的变化曲线,因此很容易就能推出形成柯石英的诞生所需的深度至少为90千米。

如果你对地壳的厚度有印象(好吧我知道你没有,地壳最厚可以达到70千米),你就会理解柯石英的出现证明了这些“超高压变质岩”曾经进入过地幔,而且随后很快地返回了地表——只有这样柯石英才不会重新转变成常见的低温石英。

好了,这个故事中柯石英告诉我们的主要就是这些,但是在这个发现的基础上,一幅更为广阔的画卷逐渐被展开:这些柯石英是怎么从地幔里回到地表的呢?中科大李曙光院士的团队通过长期的地球化学研究向我们揭示了大别山形成时的秘密。

柯石英是怎么出现在地表的?

说到造山,板块俯冲是必须要提到的。如果两个板块相遇,会有什么样的爱恨情仇发生?一种典型情况是大洋板块与大陆板块的碰撞。记住大洋地壳和大陆地壳的区别:洋壳密度更大,厚度更薄

当洋壳与陆壳相遇,密度更大的洋壳斜插到陆地板块下方,在前方拖力和后方推力的作用下向深处俯冲,最终化为岩浆。其中一部分穿越头顶的岩石来到地面形成火山等构造,而更多的岩浆则会成为地幔的一部分,等待着某一天的重生。两个大洋板块的碰撞亦与此类似。

2.55亿年前的地图,此时北京豆汁与长沙臭豆腐还不能争相媲“味”;华北板块与扬子板块还没有发生碰撞。

如果说上一种情况的结果是“消亡”,那么大陆板块和大陆板块相遇的主题可以说是“合体”。俯冲同样可以发生在密度相似的陆壳之间,与上面的情况相比,陆壳的俯冲并不顺利。

就像用手将一个空心塑料球推到浴缸底需要费一些劲,陆壳的密度小于周围的地幔,因此地幔的浮力对于陆壳的俯冲过程来说形成一道很难逾越的阻力。前方的俯冲受阻,而后继的陆壳继续推进,这样俯冲带上方就被挤出连绵的山脉,大别山就是这样在2亿多年前被华北板块和扬子板块挤出来的

但长期以来,人们并不清楚这其中的细节。运用地球化学手段,研究团队从大别山的岩石尤其是一些特定的矿物中读出年代、经历的环境、物质来源等信息。考虑到需要铺垫的背景知识,具体的研究手段就不做(cha)介(wen)绍(xian)了。

 

左右图分别为“洋壳——陆壳”俯冲与“陆壳——陆壳”俯冲的示意图。图片来源:USGS

研究人员发现了一个有意思的现象,我们知道扬子板块是自南向北进行俯冲的,可以根据上面的“陆壳——陆壳”俯冲图想象一下,正常情况北侧的陆壳俯冲深度应该更深,但是科学家在大别山的南侧发现了柯石英和金刚石这些超高压下形成的矿物,而北大别山什么都没有。此外,南大别山出露的岩石来源于扬子板块的上地壳部分,而北大别山的岩石来自下地壳。是什么样的过程导致了经历了同一次俯冲的地壳上部出现在南侧,而下部走到了更远的北侧?

“二次折返”,带出了柯石英

真相只有一个,在俯冲的过程中,俯冲地壳从内部发生了分离。结合一系列地球化学证据,李曙光团队提出了两次折返的过程:

 

第一次(左)和第二次(右)折返过程的示意图。图中红色区域就是被推回浅部的陆壳。这也解释了携带柯石英的上地壳为何出露于下地壳的南侧。图片来源:参考文献3。

为了更好地说明柯石英的“二次折返”过程,我和师兄闯作了以下的灵魂画作。

上面说到,因为来自地幔的浮力,陆壳在地幔中的俯冲并不容易。实际上,陆壳内部的密度也不是均一的:陆壳上部物质更轻,因此这一部分克服阻力的难度更大。这一差异使得俯冲地壳内部变得不安分,下地壳中出现了裂口,陆壳断成两部分

下方更沉的镁铁质陆壳在推力作用下继续俯冲直至造山作用停止,而上方的陆壳失去推力,地幔的浮力推着上部的“轻”地壳原路折返到较浅的位置,这趟大巴的乘客就包括我们看到的柯石英。这起发生在约2.2亿年前的第一次折返事件“只”经历了700万年。

在第一次折返之后,折返的板块处于相对稳定的状态,但扬子板块向华北板块的会聚并没有结束,这使得俯冲带处于挤压的环境。终于在大约4000万年后,应力的积累使得折返的“轻”地壳与身下正继续俯冲的“重”地壳劈裂,华北板块趁虚而入,呈楔状插入两者之间,推动折返地壳再次快速抬升,而更沉的下部地壳与岩石圈继续俯冲并由于地幔的侵入发生如下图的拆离。

这些被拆离出的物质成为了这起“合体”事件中“消亡”的部分。这就是解释第二次快速折返的楔入模型。在这之后的漫长岁月里,大别山继续长高随后又被剥蚀,最终我们看到了今天的大别山以及从地幔走出的岩石。

我第一次听见这个故事是在我们专业的讲座上。这时你也许会发现,这个故事的真正意义在于揭示了超高压变质岩从地幔快速折返的机制,柯石英的发现只是其中的一小部分,为什么我会选择这个词呢?

其实,看一个故事时记忆最深刻的点却不是核心内容,这种事情再正常不过了。正如同我写了一篇关于生命起源时间的科普,结果底下大家齐刷刷地都在讨论起给妹子送锆石的梗:

好了,今天的故事就到这里。无论记忆点是什么,希望您在关闭页面后还能记住这个故事中的一丢丢内容。(编辑:Jerrusalem)

P.S. 到底是谁把作者的网名认成真名?编辑才不会告诉你们呢……

参考文献:

  1. Li S, Xiao Y, Liou D, et al. Collision of the North China and Yangtse Blocks and formation of coesite-bearing eclogites: Timing and processes[J]. Chemical Geology, 1993, 109:89–111.
  2. 李曙光, 黄方, 李晖. 大别—苏鲁造山带碰撞后的岩石圈拆离[J]. 科学通报, 2001, 第17期:1487-1491.
  3. 李曙光, 黄方, 周红英,等. 大别山双河超高压变质岩及北部片麻岩的U—Pb同位素组成——对超高压岩石折返机制的制约[J]. 中国科学:, 2001, 第12期:977-984.
  4. 李曙光, 杨蔚. 大别造山带深部地缝合线与地表地缝合线的解耦及大陆碰撞岩石圈楔入模型:中生代幔源岩浆岩Sr-Nd-Pb同位素证据[J]. 科学通报, 2002, 24期(24):1898-1905.
  5. 李曙光. 大别山超高压变质岩折返机制与华北-华南陆块碰撞过程[J]. 地学前缘, 2004, 03期:63-70.
The End

发布于2015-11-19, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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古环境硕士

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