除了可能是一些偏远岛屿的居民，大多数人都有将大陆视为地球基本、永久甚至具有代表性特征的自然倾向。人们很容易忘记，地球大陆平台仅相当于一个主要被水覆盖的星球上零散和孤立的陆块。但是，当从太空观察时，地球的正确图像立刻变得清晰。这是一个蓝色的星球。从这个角度来看，令人非常惊讶的是，在其漫长的历史中，地球竟然能够使其表面的一小部分始终保持在海平面之上——从而促成了人类在陆地上进化等诸多事物。
高耸的大陆的持续存在仅仅是偶然的吗？地球复杂的地壳是如何形成的？它是否一直存在，就像行星蛋糕上的原始糖霜一样，还是随着时间的推移而演变？这些问题引发了长达数十年的辩论，科学家们对此争论不休，但关于地球表面如何形成现在样貌的迷人故事现在基本上已经得到了解决。这种理解非常显著地表明，形成地球大陆所需的条件在太阳系的其他地方可能是无与伦比的。
地球和金星的大小和与太阳的距离大致相同，通常被认为是孪生行星。因此，人们很自然地想知道金星的地壳与我们地球的地壳相比如何。尽管数百年来从地球进行的望远镜观测无法提供任何见解，但从1990年开始，环绕金星运行的麦哲伦号太空探测器的雷达穿透了笼罩金星的厚厚的云层，并以惊人的清晰度揭示了其表面。从详细的地貌图像中，行星科学家可以推测覆盖金星的岩石类型。
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我们的姊妹行星似乎被玄武岩成分的岩石覆盖——非常像地球海洋盆地上的黑色细粒岩石。然而，麦哲伦号的测绘未能找到与地球大陆地壳相当的大面积区域。名为阿佛洛狄忒陆和伊师塔陆的隆起区域似乎是皱褶玄武岩熔岩的残余物。在金星上发现了较小的圆顶状土丘，这些地貌可能表明在某些地方确实存在花岗岩成分的火山岩，但雷达反射表明，这些煎饼状的特征可能仅仅是由更多的玄武岩组成。
在分析了麦哲伦号提供的丰富的雷达数据后，科学家们得出结论，板块构造（即行星表面各部分的持续创造、运动和破坏）似乎并没有在金星上运行。没有明显的等同于地球上广阔的洋中脊或巨大海沟系统的东西。因此，金星的地壳不太可能定期回收回该行星的地幔中。似乎也没有太大的必要为新的地壳腾出空间：金星上目前喷发的熔岩量大致相当于夏威夷基拉韦火山的输出量——对于整个行星来说仅仅是涓涓细流。来自金星的这些发现以及对太阳系中其他固体的类似调查表明，行星地壳可以方便地分为三种基本类型。
所谓的原始地壳可以追溯到太阳系的早期。它们是在大块原始物质撞击不断增长的行星后出现的，释放出足够的能量导致原始行星融化。随着熔融岩石开始冷却，某些类型的矿物晶体相对较早地凝固，并可以从岩浆主体中分离出来。例如，这个过程可能在低密度矿物长石颗粒漂浮到早期月球熔融玄武岩“海洋”的顶部后，形成了月球的白色高地。外层巨行星的许多卫星的地壳，由岩石与水、甲烷和氨冰的混合物组成，也可能是在最初的吸积过程中灾难性融化产生的。
与这种突然、大规模融化事件的产物形成对比，次生地壳是在放射性元素的衰变产生的热量逐渐在行星体内积累后形成的。这种缓慢的加热会导致行星岩石地幔的一小部分融化，通常会导致玄武岩熔岩的喷发。火星和金星的表面以及地球的洋底都覆盖着以这种方式形成的次生地壳。月海（古代天文学家的“海洋”）也是由起源于月球内部深处的玄武岩熔岩形成的。放射性产生的热量——或者可能是由潮汐力引起的弯曲——在外太阳系的一些冰卫星上也可能产生了次生地壳。
与这些相对常见的类型不同，所谓的第三纪地壳可能会在表面层被返回到地质活跃的行星的地幔中时形成。就像一种连续蒸馏的形式，火山活动然后可以导致产生成分与玄武岩不同的高度分化的岩浆——更接近于浅色火成岩花岗岩的成分。由于产生花岗岩岩浆所必需的循环只能在板块构造运行的行星上发生，因此这种成分在太阳系中是罕见的。地球上大陆地壳的形成可能是其唯一的位置。
尽管每个类别中的例子数量很少，但关于行星表面成因的一个概括似乎很容易做出：原始地壳、次生地壳和第三纪地壳的形成速率存在明显的差异。例如，月球在短短几百万年内就产生了其白色、富含长石的原始地壳——约占月球体积的9%。次生地壳的演化速度要慢得多。月球的玄武岩月海（次生地壳）只有几百米厚，仅占月球体积的十分之一的百分之一，然而这些所谓的海洋却需要超过十亿年的时间才能形成。另一个次生地壳的例子，我们星球的玄武岩海洋盆地（约占地球质量的十分之一的百分之一），形成于大约2亿年的时间里。尽管这些速率已经很慢了，但第三纪地壳的创造效率甚至更低。地球已经花费了数十亿年的时间来产生其第三纪地壳——大陆。这些特征仅占地球质量的约二分之一的百分之一。
漂浮的大陆
许多在地球上很少见的元素在花岗岩中富集，这种现象赋予了大陆地壳与其微小的质量不成比例的重要性。但是，地质学家一直无法通过直接观察来估计地壳的总体成分——这是任何研究其起源和演化的必要起点。一种可以设想的方法可能是汇编现有地表露头岩石的描述。即使是如此庞大的信息量也可能被证明是不够的。一项可以深入地壳足够深处以获得有意义样本的大规模勘探计划将突破现代钻探技术的极限，并且无论如何，成本都将高得令人望而却步。
幸运的是，一个更简单的解决方案就在眼前。大自然已经通过沉积物的侵蚀和沉积完成了广泛的采样。现在变成固体沉积岩的低贱的泥土，为暴露的大陆地壳提供了出奇好的平均成分。然而，这些样本缺少那些溶于水的元素，例如钠和钙。在从地壳转移到沉积物中而相对丰度没有失真的不溶性物质中，有14种稀土元素，地质化学家称之为REE。这些元素标记在破译地壳成分方面非常有用，因为它们的原子不能完全适应大多数常见矿物的晶体结构。相反，它们倾向于集中在冷却岩浆的后期形成的花岗岩产品中，这些花岗岩产品构成了大陆地壳的大部分。
由于在各种沉积物中发现的REE模式非常相似，地质化学家推测，风化、侵蚀和沉积必须有效地混合不同的火成岩源岩，以创建大陆地壳的总体样本。REE组的所有成员都建立了上地壳成分的特征，并在元素丰度模式的形状中，保留了可能影响地壳组成的火成事件的记录。
例如，地质学家使用这些地球化学示踪剂，确定了大陆地壳上部的成分近似于花岗闪长岩，一种普通的火成岩，主要由浅色石英和长石以及各种深色矿物的点缀组成。在大陆地壳深处，大约10到15公里以下，更玄武岩成分的岩石可能很常见。这种物质的确切性质仍然存在争议，地质学家目前正在使用测量地壳内重要放射性元素铀、钍和40K（钾的放射性同位素）产生的热量来检验他们的想法。但是，至少这个难以接近且神秘的区域的部分可能由玄武岩组成，这些玄武岩被困在低密度大陆下方并被底侵。
正是花岗岩的这种物理性质——低密度——解释了为什么大多数大陆没有被淹没。大陆地壳平均高于海平面125米，约15%的大陆面积延伸到海拔2公里以上。这些巨大的高度与海底的深度形成鲜明对比，海底平均低于海平面约4公里——这是它们以主要由玄武岩和薄层沉积物组成的致密海洋地壳为衬里的直接结果。
在地壳底部是所谓的莫霍洛维奇不连续面（地质学家总是将其缩短为“莫霍”的拗口名称）。这个深层表面标志着成分发生了根本性的变化，变成了一种富含矿物橄榄石的极高密度岩石，这种岩石普遍位于海洋和大陆之下。使用地震波的地球物理研究已经追踪了全球的莫霍面。此类研究还表明，大陆下方的地幔可能永久地附着在顶部。这些相对较冷的壳下“龙骨”可能厚达400公里，并且似乎在板块构造漂移期间与大陆一起移动。对在钻石内发现的微小矿物包裹体的分析为这种概念提供了支持，这些钻石被认为起源于这个壳下区域的深处。测量表明，钻石可能长达30亿年，因此证明了深层大陆根的古老性。
令人好奇的是，回顾不到50年前，没有任何证据表明海洋盆地的岩石与陆地上发现的岩石有任何根本的不同。人们只是认为海洋底部铺满了沉没或下沉的大陆。这种看法自然而然地源于大陆地壳是一种环绕世界的特征的概念，这种特征是作为最初熔融行星上的一种浮渣而产生的。尽管现在看来地球确实在早期融化了，但似乎几十年前假定的那种原始花岗岩地壳实际上从未存在过。
地质多样性的演化
地球上是如何出现大陆地壳和海洋地壳这两种截然不同的地壳的？要回答这个问题，需要考虑太阳系的最早期历史。在地球轨道所占据的原始太阳星云区域，气体大部分被扫除，只有足够大的岩石碎片才能在早期的强烈太阳活动中幸存下来并积累起来。这些物体本身一定是通过吸积而增长的，最终结合在一起形成了我们的星球，这个过程需要大约5000万到1亿年的时间。
在形成的后期阶段，一颗巨大的星子，可能有一颗火星那么大，撞击了几乎完全形成的地球。撞击器的岩石地幔被喷射到轨道上并变成了月球，而该物体的金属核落入了地球。正如预期的那样，这一事件被证明是灾难性的：它完全融化了新形成的行星。随着地球后来冷却和凝固，早期玄武岩地壳可能形成了。
很可能在这个阶段，地球的表面类似于金星当前的样貌；然而，这种原始地壳都没有幸存下来。它是否以类似于地球上正在发生的方式沉入地幔，还是堆积在局部区域直到足够厚以转变成更致密的岩石并下沉，仍然不确定。无论如何，在这个早期阶段都没有大量花岗岩地壳的证据。这种地壳的明显证据应该以矿物锆石的零散颗粒的形式幸存下来，锆石在花岗岩中形成，并且非常耐侵蚀。尽管已经发现了一些来自这个时期附近的古老锆石（最古老的例子来自澳大利亚的沉积岩，大约有43亿年的历史），但这些颗粒极其稀少。
关于早期地壳的更多信息来自最古老的完整幸存岩石。这些岩石形成于地壳深处，距今不到40亿年前，现在在加拿大西北部地表露头。这个岩层被称为阿卡斯塔片麻岩。在世界各地的几个地点都记录了稍年轻的早期地壳的例子，尽管对这些古老地层研究得最好的是在格陵兰岛西部。那里的沉积岩的丰富性证明了流水和可能在遥远时代存在的真实海洋的存在。但是，即使是来自加拿大和格陵兰岛的这些非常古老的岩石，其年代也比地球最初的吸积晚了大约4亿到5亿年，地质记录中的空白无疑是由严重扰乱地球最早地壳的大规模撞击造成的。
从沉积岩中保存的记录来看，地质学家知道，大陆地壳的形成一直是地球漫长历史中持续不断的过程。但是地壳的创造并非总是具有相同的特征。例如，在太古代和元古代之间，大约25亿年前的边界处，岩石记录中发生了明显的变化。在这个断裂之前的上地壳的成分包含较少演化的成分，由玄武岩和富钠花岗岩的混合物组成。这些岩石构成了所谓的钙质闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩，或TTG套件。这种成分与目前的上地壳有很大不同，目前的上地壳以富钾花岗岩为主。
25亿年前地壳成分的深刻变化似乎与地球构造体制的变化有关。在此之前，较高水平的放射性衰变在地球上产生了更多的热量。其结果是，在较早的太古代，海洋地壳更热、更厚、更具浮力，并且无法被俯冲。相反，在可能类似于现代冰岛的较厚地壳部分下，更致密的地壳融化并产生了TTG套件的富钠火成岩。
现在在智利南部等少数地方形成了有些相似的岩石，那里年轻的海洋地壳正在俯冲。但是，这些现代岩石由于板块构造而现在形成，与它们较老的太古代表亲略有不同，后者是由厚地壳下的下沉板块形成的。现代风格的板块构造直到太古代晚期（30亿至25亿年前）才开始运作，当时海洋地壳变得更冷，失去了浮力，因此能够沉回地幔。
岩浆早期倾向于形成TTG成分解释了为什么地壳在太古代期间作为玄武岩和钙质闪长岩的混合物生长。大量——至少50%甚至可能高达70%的大陆地壳——在这个时候出现，在30亿至25亿年前之间有一个主要的生长时期。自那时以来，海洋盆地和大陆平台的相对高度一直保持相对稳定。随着25亿年前元古代的开始，地壳已经呈现出大部分现在的构成，现代板块构造循环开始了。
目前，海洋地壳是通过玄武岩熔岩沿着环绕全球的洋中脊网络喷发而形成的。每年通过这个过程产生超过18立方公里的岩石。新形成的地壳板片位于地幔外层之上，地幔外层共同构成了刚性的岩石圈。海洋岩石圈在所谓的俯冲带沉回地幔，俯冲带在海底以深海沟的形式留下明显的疤痕。在这些地点，下降的岩石圈板片携带湿润的海洋沉积物以及玄武岩坠入地幔。
在大约80公里的深度，热量将俯冲沉积物中的水和其他挥发性成分驱赶到上覆的地幔中。然后，这些物质就像铸造厂的助熔剂一样，以降低的温度诱导周围物质融化。岩浆分异，产生安山岩，而更基本的基底可能沉回地幔中，这个过程称为拆沉作用。以这种方式产生的安山岩岩浆最终到达地表，在那里引起壮观的爆发性喷发。1980年圣海伦斯火山的爆发就是这样一个地质灾难的例子。火山链——例如安第斯山脉——由沸腾的挥发物提供动力，平均每年向大陆增加约2立方公里的熔岩和火山灰。这种安山岩提供了大陆的大部分物质。
但是，我们在大陆表面看到的更富含二氧化硅的花岗岩来自地壳内部。大陆地壳内部深处的热量积累会导致融化，由此产生的岩浆最终将迁移到地表。尽管一些必要的热量可能来自放射性元素的衰变，但更可能的来源是玄武岩岩浆，它从地幔深处上升并被困在花岗岩盖子下；然后熔融岩石就像煎锅下的燃烧器一样起作用。
地壳生长的突增
尽管大陆地壳产生的最戏剧性转变发生在太古代末期，即25亿年前，但大陆似乎在整个地质时期都经历了间歇性的变化。例如，在20亿至17亿年前、13亿至11亿年前以及5亿至3亿年前，大陆地壳发生了相当大的后期增加。地球大陆经历了如此有节奏的演化，乍一看似乎违反直觉。毕竟，如果内部热量的产生及其通过地壳循环的释放是一个连续的过程，为什么地壳会以突增的方式形成呢？
对板块构造更详细的理解有助于解决这个难题。在二叠纪时期（大约2.5亿年前），地球的主要大陆汇聚在一起，形成了一个巨大的陆地，称为泛大陆[参见第14页的“泛大陆之前的地球”]。这种构造并非独一无二。这种“超级大陆”的形成似乎以大约6亿年的间隔重复出现。驱动大陆分裂和聚合的主要构造周期已被记录在早元古代，甚至有迹象表明，第一个超级大陆可能在更早的太古代形成。
这种大规模的构造周期有助于调节地壳生长的节奏。当一个超级大陆分裂时，海洋地壳是最古老的，因此在俯冲后最有可能形成新的大陆地壳。随着各个大陆重新聚合，火山弧（在俯冲带附近形成的弯曲火山链）与大陆平台碰撞。当弧岩添加到大陆边缘时，这些事件会保留新的地壳。
在超过40亿年的时间里，漂泊不定的大陆以断断续续的方式从许多不同的地体中组装起来。埋藏在由此产生的混合物中的是地球大部分历史中仅存的遗迹。这个故事，从像拼图一样混乱的岩石中组装而成，花费了一些时间才理清。但是，对地壳起源和演化的理解现在已经足够表明，在所有行星中，地球显得非常特殊。由于大自然的幸运意外——维持板块构造活动的能力——只有一个行星能够产生我们觉得非常方便居住的大片稳定的大陆地壳。
作者
S. ROSS TAYLOR和SCOTT M. MCLENNAN自1977年以来一直合作研究地球地壳的演化。Taylor还积极从事月球和行星研究，并出版了许多关于行星学的书籍。他是美国国家科学院的外籍院士。Taylor目前在澳大利亚国立大学地球和海洋科学系和休斯顿月球与行星研究所工作。McLennan是石溪大学地球科学系教授。他的研究将沉积岩的地球化学应用于地球和火星地壳演化的研究。McLennan是火星探测漫游者科学团队的成员。