地球の地殻の進化

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、再生が含まれます。

地球の地殻の組成の多様性は、他の地球型惑星のそれ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持っている。^{[1]このユニークな特性は、進行中の}プレートテクトニクスのプロセスを含む、地球の歴史を通じて起こった一連の複雑な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、理論指向の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察は、初期の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礎を提供します。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プラットフォームの両方が作成されます。

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発生し維持された高温によるものです。

• 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]

始生代を通じてマントルは現代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。

マグマの凝固開始の理論によれば、十分に冷えると、マグマオーシャンのより冷たい基底部が最初に結晶化し始めるとされています。これは、 表面での25 GPaの圧力によって固相線が下がるためです。 [ ^4]最表面に薄い「チルクラスト」が形成されると、浅い表面下が断熱され、深部のマグマオーシャンからの結晶化のメカニズムを維持するのに十分な温度に保たれます。^[4]

マグマオーシャンの結晶化中に生成される結晶の組成は、深さによって変化します。ペリドタイトマグマの溶融に関する実験では、海洋深層部（>≈700 m）では、主な鉱物はマグネシウムペロブスカイトであるのに対し、浅い領域では、高圧多形であるガーネットやメージャライトとともに、オリビンが優勢であることが示されています。^[5]

最初の大陸地殻の形成に寄与した理論の一つは、貫入深成岩による ものである。これらの噴火の産物は、マントルと規則的に循環する高温で厚い岩石圏を形成した。 ^{[6]この形態の火山活動によって放出された熱は、}マントル対流を補助するとともに、初期地殻の地熱勾配を増加させた。^[7]

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、これらが一緒になって地殻全体を形成します。大陸地殻と海洋地殻の違い。

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され、維持されています。しかし、同じメカニズムが初期の岩石圏の地殻の二分性を生成した可能性は低いです。これは、もともと地球を覆っていたと考えられている薄くて密度の低い大陸岩石圏の部分が、互いの下に沈み込むことはあり得なかったという理由で真実であると考えられています。^[8]

その結果、地殻の二分化の相対的な時期として、プレートテクトニクスが始まる前に二分化が始まったとする提案が提出された。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]

太陽系全体の惑星体には、大きくて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まで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、今日クレーターが見えないのは、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]この推定値は、衝突クレーターが地球表面に与えた影響の下限を示している。

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。

• 大きなクレーターの形成。等圧反発によりクレーターの深さが調整され、直径に比べて比較的浅くなります。^[10]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した地表との間の地形的区分。 ^[9]
• 表面の表土が除去されたことで、地表の圧力が解放された。これにより、地表下の深さとともに温度が上昇した。表面温度の上昇によりマントルが部分的に溶融し、噴火して表面盆地内に堆積した。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、不確実性が高いものの、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法の形成方法が示された。^[10]

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、マントル端の凝固が約443億年前に起こったとされています。これにより、マグネシウムを豊富に含み、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ました。^[12]別の研究では、新たに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されています。^[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実性の欠如は、現在までに例が残っていないためです。これは、地球の侵食率が高く、45億年の歴史を通じてプレートが沈み込み、その後破壊されたためです。 ^[12]さらに、原始地殻は、その存在中に、他の微惑星との衝突によって定期的に破壊され、再形成されていたと考えられています。^[13]これは、約44億年前に終了した集積の後も数億年続きました。 ^[11]この結果、原始地殻の組成が絶えず変化し、その性質を決定することがますます困難になります。^[11]

既存の原始地殻のリサイクルは二次地殻の生成に寄与する。既存の地殻が部分的に溶融すると、溶融物の塩基性岩含有量が増加し、玄武岩質の二次地殻が形成される。 ^{[14]地球内部の}放射性元素の崩壊によるさらなる形成方法では、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、玄武岩質溶岩も生成される。^[15]その結果、地球上の二次地殻のほとんどは海洋地殻を形成する 中央海嶺で形成される。

現在の大陸地殻は第三紀地殻の一例である。第三紀地殻は最も分化したタイプの地殻であるため、その組成は地球全体とは大きく異なる。^[16]第三紀地殻には、鉱物構造に含まれない大きさや電荷を持つ不適合元素が豊富に含まれており、その割合は20%を超える。 ^{[16]これは、沈み込みと二次地殻の部分溶融によって生成され、さらに}分別結晶化が進む結果である。2つの進化段階によって、不適合元素の割合が増加している。^[16]

初期マントルにおけるプルームの形成と発達は、地殻の地球表面での横方向の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与える影響は、ハワイなどのホットスポット周辺の局所的な窪みを通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弱めた。^[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、リソスフェアを破裂させるほどに弱めることができるのは強力なエネルギーを持つプルームのみであることが示されており、そのようなプルームは高温の始生代のマントルに存在していたと考えられる。^[20]

プレテクトニックな沈み込みは、金星の内部火山活動からも推測できる。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きなプルームであり、始生代のマントルのそれに匹敵する規模である可能性がある。^[1]既知の特性を使用したモデルは、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を示した。崩壊の重さにより周囲の地殻が外側に広がり、その後縁の周りで沈み込みが起こった。^{[21]金星の地殻は}無水の性質を持っているため、互いに滑り合うことができないが、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が確認されたとき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]

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にも影響を与えた。^[9]地熱勾配の急峻化はマントル対流を直接促進し、現在ではますます亀裂が進むリソスフェアの下で地殻の裂け目やプレートへの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る。^[9]

地殻成長率は、大陸地殻の年代の推定値を計算するのに使用できます。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で行うことができます。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想定されています。 ^[22]同位体的に若い火成岩の年代は、2.7、1.9、1.2 Gaで明確なピークを示し、火成岩の割合の増加、したがって地殻の成長の増加を示しています。これらのピークは大陸地殻の生成の増加ではなく、保存期間を表している可能性があるため、これらの結果の妥当性は疑問視されています。これは、プレートの沈み込みによるマグマ活動が新しい地殻の生成に大きく貢献したとされる最近の地質時代にはそのようなピークが観察されていないという事実によって裏付けられています。^[23]

火成岩からの地殻成長率は、堆積岩の放射性同位体比から生成される率と比較することができます。これらの技術を使用して成長率を予測すると、ずらしたピークは生成されず、代わりに滑らかで浅い曲線が生成され、より一定の地殻成長率を示します。 ^[23]長い期間を代表するものですが、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は制限があります。代わりに、サンプルには元の同位体比と変化した同位体比の混合物を生成する堆積物の混合が含まれます。^[23]

ジルコン鉱物は、堆積岩の砕屑粒子と火成岩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、地殻の成長率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]これは、Hf 同位体が岩石がマントル由来か既存の岩石由来かを示すため重要です。ジルコンの δ ¹⁸ O 値が高いことは、岩石が地球の表面でリサイクルされ、混合サンプルが生成されている可能性があることを表しています。^[24]この複合分析の結果、1.9 Ga と 3.3 Ga に地殻生成が増加した期間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]

アカスタ片麻岩複合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判明している。^[25]どちらも総FeOが高く、Eu異常はわずかまたは全くなく、NaおよびSr/Yの枯渇が高い。さらに、全岩微量元素データは、アカスタ片麻岩複合体とアイスランドの珪質岩の両方のマグマの進化は深層ではなく浅層プロセスによって制御されたことを示している。