地球の地殻の進化
海洋地殻の表面図。若い地殻（赤）の生成と、古い地殻（青）の最終的な破壊を示しています。これは、プレートテクトニクスによって規定された地球表面における地殻の空間的進化を示しています。

地球の地殻の進化には、惑星表面 の岩石の外殻の形成、破壊、再生が伴います。

地球の地殻組成の多様性は、他の地球型惑星よりもはるかに大きい。火星、金星、水星などの惑星は、海洋プレートと大陸プレートの両方を含む地球とは異なり、比較的準均一な地殻を有している。[1]このユニークな特性は、現在も進行中のプレートテクトニクスを含む、地球の歴史を通じて起こってきた複雑な一連の地殻プロセスを反映している。

地球の地殻進化に関する提案されたメカニズムは、理論指向的なアプローチを採用しています。断片的な地質学的証拠と観測結果は、初期地球システムに関連する問題に対する仮説的な解決策の基盤となります。したがって、これらの理論を組み合わせることで、現在の理解の枠組みと将来の研究のための基盤の両方が構築されます。

初期の地殻

初期地殻形成のメカニズム

初期の地球は完全に溶けていました。これは、以下のプロセスによって高温が生み出され、維持されていたためです。

  • 初期の大気の圧縮
  • 急速な軸回転
  • 近隣の微惑星との定期的な衝突。[2]
初期マントル内での段階的な結晶化を示し、初期地殻を形成した状態図。断熱状態は、対流による熱損失がない場合の温度と圧力の変化を表す。初期マントルの断熱状態は、結晶化が底部から起こったことを示している。約25GPa以上（深部マントル）ではペロブスカイトが結晶化し始め、25GPa以下（上部マントル）ではオリビンが結晶化する。

始生代を通じてマントルは現代の気温よりも高温のままでした。[3]時間の経過とともに惑星の集積が遅くなり、マグマの海に蓄えられた熱が放射線によって宇宙に失われたため、地球は冷え始めました。

マグマの凝固開始に関する理論によれば、マグマオーシャンの基底部が十分に冷えると、まず結晶化し始めるとされています。これは、 地表での25GPaの圧力によって固相線が下がるためです。[ 4 ]最表層に薄い「チルクラスト」が形成されることで、浅い地下層に断熱層が生まれ、深部のマグマオーシャンからの結晶化メカニズムを維持するのに十分な温度が保たれます。[4]

マグマオーシャンの結晶化過程で生成される結晶の組成は、深度によって変化した。ペリドタイトマグマの溶融実験では、深海（700m以上）ではマグネシウムペロブスカイトが主要な鉱物となる一方、浅い海域ではカンラン石とその高圧多形（例えばガーネットやメージャライト）が優勢であることが示された。[5]

最初の大陸地殻の形成に寄与した説の一つに、貫入性深成岩 マグマ活動が挙げられる。これらの噴火によって生じた高温で厚いリソスフェアは、マントルと規則的な循環を繰り返した。[6]この形態の火山活動によって放出された熱は、マントル対流を助長するとともに、初期地殻の地温勾配を増大させた。[7]

地殻の二分法

地殻の二分性は、海洋プレートと大陸プレートの組成と性質が明確に対照的であることであり、これらが合わさって地殻全体を形成します。大陸地殻と海洋地殻の違い。

タイミング

海洋地殻と大陸地殻は現在、プレートテクトニクスのプロセスによって生成・維持されています。しかし、初期のリソスフェアの地殻二分性は、同じメカニズムによって生じた可能性は低いと考えられます。これは、地球を覆っていたと考えられている薄く密度の低い大陸リソスフェアが、互いに沈み込むことはあり得なかったという根拠に基づいています。[8]

その結果、地殻二分化の相対的な時期として、地球規模のプレートテクトニクスの開始以前に地殻二分化が始まったとする提案が提唱されている。これは、プレートの沈み込みを促進するために地殻密度の差を確立するためである。[8]

形成

地球表面の衝突クレーター基部の発達過程。マントルから玄武岩質の部分溶融物が充填されている様子が見られる。これが固化して、初期の分化した海洋地殻が形成された。

衝突クレーター

太陽系全体の惑星体には、大規模で多数の衝突クレーターが認められる。これらのクレーターは、約40億年前に終結した、後期重爆撃期として知られる、小惑星の地球型惑星への衝突の頻度と強度が増加した時期に遡ると考えられている。 [9]この提案ではさらに、地球も太陽系の他の微惑星と同じ相対的なクレーター形成の強度を維持していたと主張している。したがって、クレーターが現在目に見えないのは、地球の高い浸食率と絶え間ないプレートテクトニクスによるものである。月で見られる衝突クレーターの数とサイズを地球のサイズに拡大すると、地球の初期地殻の少なくとも50％は衝突盆地で覆われていたと予測される。[8]この推定は、衝突クレーターが地球の表面に与えた影響の下限を示している。

効果

衝突クレーターが初期のリソスフェアに与えた主な影響は次の通りです。

  • 巨大クレーターの形成。等圧反発によりクレーターの深さが調整され、直径に比べて浅くなります。[10]中には深さ4km、直径1000kmに達するものもあります。[8]
  • 低地の衝突盆地と現在の隆起地との間の地形的区分。 [9]
  • 表土の除去により地表の圧力が解放された。これにより、地表から深くなるほど温度上昇が加速した。地表温度の上昇はマントルの部分溶融を引き起こし、それが噴出して表層盆地内に堆積した。パイロライトマントルは、既存のシアリック地殻とは組成的に対照的な玄武岩質の部分溶融物を生成したと考えられる。 [8]

これらの衝突の規模は、高い不確実性を伴うものの、「大陸」地殻の約半分を陸生の海に変えたと解釈されており、 [ 11]それによって、今日見られるような地殻の二分性の形成方法を提供している。[10]

クラストの種類

原始地殻

マグマの海からの鉱物の最初の結晶化によって原始地殻が形成されました。

このプロセスの考えられる説明としては、マントル端の結果として生じた固化が約443億年前に起こったとされています。これにより、マグネシウムに富み、融点が高く、動粘性の低い超塩基性岩石であるコマチアイトで構成された大陸がその後に形成されたと考えられます。[12]別の研究では、このことをさらに進め、新しく形成された結晶の密度の違いによって地殻の岩石が分離し、上部地殻は主に分断された斑れい岩で構成され、下部地殻は斜長岩で構成されていると提案しています。[13]初期結晶化の全体的な結果として、深さ約60kmの原始地殻が形成されました。[13]

原始地殻の形成に関する確証がないのは、現在までにその例が残っていないためです。これは、地球の侵食速度が速く、45億年の歴史を通じてプレートの沈み込みとそれに続く破壊が続いたためです。 [12]さらに、原始地殻は、その存在期間中、他の微惑星との衝突によって定期的に破壊され、再形成されてきたと考えられています。[13]これは、約44億年前に完了した集積期後も数億年にわたって続きました。 [11 ]その結果、原始地殻の組成は絶えず変化し、その性質を特定することがより困難になっています。[11]

二次地殻

既存の原始地殻の循環は二次地殻の形成に寄与する。既存の地殻の部分溶融は、溶融物の塩基性岩石含有量を増加させ、玄武岩質の二次地殻を形成する。 [14]地球内部の放射性元素の崩壊によって熱エネルギーが放出され、最終的に上部マントルの部分溶融を引き起こし、玄武岩質溶岩を生成するという別の形成過程もある。 [15]その結果、地球上の二次地殻の大部分は海洋地殻を形成する中央海嶺で形成される。

第三紀地殻

現在の大陸地殻は第三紀地殻の一例です。第三紀地殻は最も分化した地殻であり、地球全体の組成とは大きく異なります。[16]第三紀地殻には、鉱物構造に組み込むことを妨げる大きさや電荷を持つ不適合元素が地球全体の20%以上含まれています。 [16]これは、二次地殻の沈み込みと部分溶融によって生成され、そこでさらに分別結晶化が進む結果です。進化の2つの段階によって、不適合元素の割合が増加します。[16]

プレートテクトニクスの始まり

マントルプルームが初期リソスフェア（濃紺）と表層原始地殻（茶色）に及ぼした影響を示す進化の模式図。これにより、それまで分離されておらず、横方向の地表移動もなかったリソスフェア内での沈み込みと、それに続く全球的なプレートテクトニクスが開始された。[17]より改変

プルームによる沈み込み

初期マントルにおけるプルームの形成と発達は、地球表面における地殻の横方向移動の引き金となった。[18]マントルプルームの湧昇がリソスフェアに及ぼした影響は、ハワイなどのホットスポット周辺の局所的な低地として今日でも見ることができる。この影響の規模は、マントル温度がはるかに高かった始生代に見られた影響よりもはるかに小さい。局所的に高温のマントル領域が中央のプルームウェッジを通って地表に上昇し、損傷を受けてすでに薄かったリソスフェアをさらに弱体化させた。[7]プルームの頭部が地表を突き破ると、質量保存則により頭部の両側の地殻が下方に押し下げられ、沈み込みが始まる。[19]数値モデル化により、リソスフェアを破壊できるほどに弱体化できるのは強力なエネルギーを持つプルームのみであり、そのようなプルームは高温の始生代のマントルにも存在していたと考えられる。[20]

金星の内部火山活動からも、プレテクトニックな沈み込みが推測できる。アルテミスコロナはマントル由来のマグマの湧昇によって形成された大規模なプルームで、始生代マントルのそれに匹敵する規模である可能性がある。[1]既知の特性を用いたモデルでは、プルームを通じた伝導熱による継続的なマグマ活動が重力崩壊を引き起こしたことが示された。崩壊の重さによって周囲の地殻が外側に広がり、続いて縁辺部で沈み込みが起こった。[21]金星の地殻は無水の性質を持つため、地殻が互いに滑り合うことはないが、酸素同位体の研究により、地球には43億年前から水が存在していたことが確認されている。[22]したがって、このモデルは、地球上でプレートテクトニクスがどのように引き起こされたかを説明するメカニズムを提供するのに役立つが、地球上で最も古い水の存在時に沈み込みが始まったことを証明するものではない。これらのモデルに基づくと、沈み込みとプレートテクトニクスの始まりは36億年前と推定される。[21]

後期重爆撃

衝突クレーターの形成は、プルームによる沈み込みの発達と地球規模のプレートテクトニクスの確立の両方に影響を与えました。[9]地温勾配の急峻化は、マントル対流輸送を直接的に促進した可能性があり、現在ではますます断裂しているリソスフェアの下で、地殻のプレート分離や地殻のプレート分離を引き起こすのに十分な応力を生み出した可能性があります。[9]

地殻成長率

大陸地殻の成長速度を総質量に対する割合で時間経過とともに示すグラフと、新たに形成された地殻の厚さ。地殻再加工のグラフは、地殻形成後に地殻が受けた変質の量を表す。約36億年前における地殻再加工の劇的な増加と地殻成長速度の減少は、沈み込みとプレートテクトニクスの始まりを表している。[23]より改変

岩石年代測定

地殻成長率は、大陸地殻の年代推定に用いることができる。これは、初期のマントル岩石と同じ同位体組成を持つ火成岩を分析することによって行うことができる。これらの火成岩は年代測定され、新しい大陸地殻形成の直接的な証拠であると推定されている。[22]同位体的に若い火成岩の年代は、2.7、1.9、1.2 Gaに明確なピークを示し、火成岩の割合の増加、ひいては地殻成長の増加を示している。これらのピークは大陸地殻の生成増加ではなく、保存期間を表している可能性があるため、結果の妥当性には疑問が投げかけられている。このようなピークは、プレートの沈み込みに伴うマグマ活動が新しい地殻の形成に大きく寄与したとされる最近の地質時代では観測されていないという事実によって、この疑問は裏付けられている。 [23]

火成岩からの地殻成長率は、堆積岩中の放射性同位体比から得られる成長率と比較することができます。これらの手法を用いた成長率の予測では、不規則なピークは生成されず、より一定した地殻成長率を示す滑らかで浅い曲線が得られます。 [23]長期間の代表性はあるものの、サンプルがマグマ生成イベントのみを代表していない場合には限界があります。サンプルには堆積物の混合が含まれており、元の同位体比と変化した同位体比が混在しています。[23]

ジルコンの年代測定

ジルコン鉱物は、堆積岩由来の砕屑粒子と火成岩中の結晶の両方である可能性があります。したがって、ジルコンの形態を組み合わせることで、地殻成長速度をより正確に推定できます。さらに、ジルコン鉱物はHfおよびO同位体比分析の対象となります。[22] Hf同位体は岩石がマントル起源か既存の岩石由来かを示すため、これは重要です。ジルコンのδ18O値が高い場合、岩石は地球表面で循環しており、混合サンプルが生成されている可能性があります。[24]この複合分析の結果、1.9 Gaと3.3 Gaに地殻生成の増加期を示す有効なジルコンが得られました。後者は、地球規模のプレートテクトニクスの開始後の期間を表しています。[23]

初期地殻の現代版

アイスランド

アカスタ片麻岩体の初期始生代岩石の地球化学的特徴は、アイスランドのいくつかの現代の中珪質岩石と比較され、非常に類似していることが明らかになっています。[25]どちらも総FeOが高く、Eu異常は軽微または全く見られず、NaおよびSr/Y比は高い値を示します。さらに、全岩微量元素データは、アカスタ片麻岩体とアイスランドの珪質岩石の両方において、深層ではなく浅層でのプロセスがマグマの進化を支配していたことを示しています。

参考文献

  1. ^ ab アルバレード、フランシス;ブリチャート・トフト、ヤンネ(2007-12-19)。 「初期の地球、火星、金星、月の分かれた運命」。レンダス地球科学をコンテスします。339 ( 14–15 ): 917–927。Bibcode :2007CRGeo.339..917A。土井：10.1016/j.crte.2007.09.006。
  2. ^ エリックソン、ジョン (2014年5月14日). 歴史地質学：地球の過去を理解する. Infobase Publishing. ISBN 9781438109640。
  3. ^ Condie, Kent C.; Aster, Richard C.; Van Hunen, Jeroen (2016-07-01). 「25億年前から始まるマントルの大きな熱的発散：緑色岩玄武岩とコマチアイトからの地球化学的制約」. Geoscience Frontiers . 7 (4): 543– 553. Bibcode :2016GeoFr...7..543C. doi : 10.1016/j.gsf.2016.01.006 . ISSN  1674-9871.
  4. ^ ab 「初期地球の分化」.地球惑星科学レターズ. 225 ( 3–4 ): 253– 269. 2004年9月15日. doi :10.1016/j.epsl.2004.07.008. ISSN  0012-821X. S2CID  53663864.
  5. ^ 伊藤 英之; 久保 明; 桂 毅; ウォルター MJ (2004-06-15). 「下部マントル条件下におけるマントル物質の溶融実験とマグマオーシャン分化への影響」.地球惑星内部物理学. 143– 144: 397– 406. Bibcode :2004PEPI..143..397I. doi :10.1016/j.pepi.2003.09.016. ISSN  0031-9201.
  6. ^ Sizova, E.; Gerya, T.; Stüwe, K.; Brown, M. (2015-12-01). 「始生代におけるフェルシック地殻の生成：地球力学モデリングの視点」.先カンブリアン研究. 271 : 198– 224. Bibcode :2015PreR..271..198S. doi :10.1016/j.precamres.2015.10.005. ISSN  0301-9268.
  7. ^ ab Fischer, R.; Gerya, T. (2016年10月1日). 「初期地球 のプルーム・リッド・テクトニクス：高解像度3D数値モデリングアプローチ」. Journal of Geodynamics . 100 : 198–214 . Bibcode :2016JGeo..100..198F. doi :10.1016/j.jog.2016.03.004. ISSN  0264-3707.
  8. ^ abcde Frey, Herbert (1980-02-01). 「初期地球の地殻進化：大規模衝突の役割」.先カンブリアン研究. 10 ( 3–4 ): 195– 216. Bibcode :1980PreR...10..195F. doi :10.1016/0301-9268(80)90012-1. hdl : 2060/19790015389 . ISSN  0301-9268. S2CID  129791356.
  9. ^ abcd 「初期太陽系への爆撃」Nature Geoscience . 2018年10月1日閲覧。
  10. ^ ab Frey, Herbert (1977-10-01). 「地球の海洋盆地の起源」. Icarus . 32 (2): 235– 250. Bibcode :1977Icar...32..235F. doi :10.1016/0019-1035(77)90064-1. ISSN  0019-1035.
  11. ^ abc Taylor, Stuart Ross (1989-04-20). 「惑星地殻の成長」. Tectonophysics . 161 ( 3–4 ): 147– 156. Bibcode :1989Tectp.161..147T. doi :10.1016/0040-1951(89)90151-0. ISSN  0040-1951.
  12. ^ ab Nna-Mvondo, Delphine; Martinez-Frias, Jesus (2007-02-15). 「コマチアイトレビュー：地球の地質学的背景から惑星および宇宙生物学的文脈へ」.地球・月・惑星. 100 ( 3–4 ): 157– 179. arXiv : physics/0512118 . Bibcode :2007EM&P..100..157N. doi :10.1007/s11038-007-9135-9. hdl :10261/8082. ISSN  0167-9295. S2CID  34892288.
  13. ^ abc Santosh, M.; Arai, T.; Maruyama, S. (2017-03-01). 「冥王代地球と原始大陸：プレバイオティック生命のゆりかご」. Geoscience Frontiers . 8 (2): 309– 327. Bibcode :2017GeoFr...8..309S. doi : 10.1016/j.gsf.2016.07.005 . hdl : 2440/114801 . ISSN  1674-9871.
  14. ^ コンディ、ケント・C. (2011-08-25). 進化する惑星系としての地球. アカデミック・プレス. ISBN 9780123852274。
  15. ^ テイラー、スチュアート・ロス (1985). 『大陸地殻：その構成と進化』ブラックウェル・サイエンティフィック・パブリケーションズ.
  16. ^ abc Taylor, SR; McLennan, SM (1985-01-01). 「大陸地殻：その構成と進化」.米国エネルギー省科学技術情報局. OSTI  6582885.
  17. ^ 上田 幸介; ゲリヤ タラス; ソボレフ ステファン V. (2008年12月1日). 「熱化学プルームによる沈み込みの開始：数値的研究」.地球惑星内部物理学. 171 ( 1–4 ): 296– 312. Bibcode :2008PEPI..171..296U. doi :10.1016/j.pepi.2008.06.032. ISSN  0031-9201.
  18. ^ Kröner, A.; Layer, PW (1992-06-05). 「アーケアン初期における地殻形成とプレート運動」. Science . 256 (5062): 1405– 1411. Bibcode :1992Sci...256.1405K. doi :10.1126/science.256.5062.1405. ISSN  0036-8075. PMID  17791608. S2CID  35201760.
  19. ^ Whattam, Scott A.; Stern, Robert J. (2015-01-01). 「カリブ海南部および南米北西部における後期白亜紀のプルーム誘起沈み込み開始：プレートテクトニクスの始まりに関する示唆を含む初の記録例」ゴンドワナ研究誌. 27 (1): 38– 63. Bibcode :2015GondR..27...38W. doi :10.1016/j.gr.2014.07.011. ISSN  1342-937X.
  20. ^ Gerya, TV; Stern, RJ; Baes, M.; Sobolev, SV; Whattam, SA (2015-11-01). 「プルーム誘起沈み込み開始によって引き起こされた地球上のプレートテクトニクス」. Nature . 527 (7577): 221– 225. Bibcode :2015Natur.527..221G. doi :10.1038/nature15752. ISSN  0028-0836. PMID  26560300. S2CID  4451700.
  21. ^ ab Van Kranendonk, Martin J (2010). 「始生代大陸地殻の2つのタイプ：初期地球におけるプルームとプレートテクトニクス」. American Journal of Science . 310 (10): 1187– 1209. Bibcode :2010AmJS..310.1187V. doi :10.2475/10.2010.01. S2CID  219240387.
  22. ^ abc Cavosie, AJ; Valley, JW; Wilde, SA; eimf (2005-07-15). 「4400–3900 Maの砕屑性ジルコン中のマグマ性δ18O：始生代初期における地殻の変質と再生の記録」.地球惑星科学レター. 235 ( 3–4 ): 663– 681. Bibcode :2005E&PSL.235..663C. doi :10.1016/j.epsl.2005.04.028. ISSN  0012-821X.
  23. ^ abcde Hawkesworth, CJ; Kemp, AIS (2006-10-19). 「大陸地殻の進化」. Nature . 443 (7113): 811– 817. Bibcode :2006Natur.443..811H. doi :10.1038/nature05191. ISSN  1476-4687. PMID  17051208. S2CID  2337603.
  24. ^ Condie, KC (2014年6月). 「大陸地殻の成長：保存とリサイクルのバランス」 . Mineralogical Magazine . 78 (3): 623– 637. Bibcode :2014MinM...78..623C. doi :10.1180/minmag.2014.078.3.11. ISSN  0026-461X. S2CID  129173474.
  25. ^ Reimink, Jesse R.; Chacko, Thomas; Stern, Richard A.; Heaman, Larry M. (2014年7月). 「アイスランドのような環境で生成された地球最古の進化した地殻」 . Nature Geoscience . 7 (7): 529– 533. Bibcode :2014NatGe...7..529R. doi :10.1038/ngeo2170. ISSN  1752-0894.
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=地球の地殻進化&oldid=1298377656」より取得