第十二章地球的起源与演化

第十二章地球的起源与演化目的要求地球的起源与演化一直是哲学家和自然科学家长期探讨和争论的问题。随着科学技术的飞速发展，人们的眼界越来越开阔，掌握的证据越来越多，对地球的认识也更加深入。要求学生深刻认识到，地球的起源和演化与宇宙及本身的物质组成、各种性质、内外各圈层以及其中的资源和环境等方面有着密切的关系。课时：2学时授课内容一、天文地质o（一）宇宙起源新说o（二）陨击作用o（三）太阳系天体与地球演化的关系o（四）宇宙环境与地球演化的关系二、地球的演化o（一）地球内部圈层的形成o（二）地壳的演化o（三）大气圈和水圈的形成与演化o（四）生命的起源与生物演化三、新地球观—地球系统科学重点1.陨击作用及宇宙环境与地球演化的关系2.地球的演化3.圈层间的强相互作用难点新地球观—地球系统科学教学方法配合多媒体以讲授为主讲授重点内容提要一、天文地质天文地质学（astronomicalgeology）是运用天文学的方法、观测资料和成果来研究地球以外天体的组分、结构、起源和演化历史，并运用这些研究成果探讨和解释地球上各种地质现象的成因和演化规律的学科。o（一）陨击作用为陨石撞击作用的简称，是指宇宙空间中的陨石高速撞击到地面过程中所发生的一系列作用（图12-1）。陨石撞击导致的冲击变质作用可使普通矿物转变成极高压矿物，形成的角砾岩广泛分布于原始坑内，并产生放射状或环状分布的褶皱和断裂，导致局部岩石熔融，大量的粉尘进入大气圈还会影响地表环境，进一步影响外力地质作用以及生物的生存与演化。据研究，在地球演化的早期，由于大气圈稀薄，陨击作用十分普遍和强烈，随后具有减弱的趋势。o（二）太阳系天体地质概况1.太阳据现代研究，太阳内部结构由表层向内可分为光球、对流区、辐射区和中心核4个圈层。光球层是太阳表面光彩夺目的一个圈层，即通常说的日面，厚度约300km。在日面上可以看到物质流动。有时有成群的黑色斑点叫黑子（sunsport）。黑子的大小经常改变，位置也不断变动，变化周期平均11年。太阳黑子有很强的磁性，黑子多时，地球上就出现极光现象以及引起地球磁场的剧烈扰动和磁暴。2.行星火星地表形态大致有如下几种类型：①环形坑；②火山平原和火山锥；③“运河网”；④风成沙丘；⑤峡谷和悬崖。行星的内部构造一般可分为星壳、星幔和星核三个圈层。星核由较重的元素(Fe、Ni、Si、C等)组成，密度较大；星壳一般由较轻元素（Si、O、H、He等）组成，密度较小；星幔具过渡性质。3.卫星月球上地形起伏，高差很大。它的表面形态主要有月海、月陆、月坑、山脉和峭壁，褶皱不多，但断裂发育。月球内部具三层结构，即月壳、月幔和月核。上月壳主要由玄武岩组成，下月壳由富含斜长石的辉长斜长岩及斜长苏长岩组成；月幔与基性岩和超基性岩相当；月核可能部分处于熔融状态，大致与地球的软流圈相似，由富含铁的硅酸盐组成。4.小天体小天体包括小行星、彗星、流星体和陨石等。流星穿过大气受热燃烧，没有燃烧完剩余的部分掉到地面就称为陨石。二、宇宙环境与地球演化的关系o（一）银河系运动与地质现象太阳绕银河系核心（银心）旋转一周的时间为2.74亿年，我们将太阳绕银心转一周的时间间隔称为一个银河年。多数地质学家认为，银河年（约3亿年）与大冰期的重复出现密切相关；古生物的三大重要门类的出现与银河系有关，如陆地植物最早出现在志留纪（4.2—4.3亿年），裸子植物出现于石炭、二叠界线附近（约2.8亿年），被子植物出现于侏罗和白垩纪分界附近。太阳系在银道面两侧往返运动的周期约为8000万年，在银道面一侧的时间约4000万年。在地质旋迴记录中亦有相应的4000万年和8000万年左右的周期。在显生宙以来存在着以下构造活动全球性加强期：早寒武世（5.8亿年）、中寒武世（5.4亿年）、晚奥陶世（4.6亿年）等等，这些构造活动的主要间隔为4000万年。在约4亿年的古生代中，有近10次大的岩浆侵入活动，平均亦为4000万年周期。显生宙以来7次剧烈的生物灭绝时期，平均约8000万年一次。o（二）太阳活动对地球的影响太阳活动指太阳大气中所进行的激烈扰动的物理过程。很多事实证明，太阳上的突发事件可以影响地球上的天气变化，具有90年、180年、22年、11年左右的周期。o（三）超新星爆发与地质灾变宇宙中有一种星体，它们在极短的时间内在厚度上发生突然的变化，释放出极高的能量，致使星体本身发生爆炸，抛射出大量物质，这一类天体称为超新星。超新星的最大特点是突然爆发，并释放出巨大能量，因此，很多人开始注意到超新星爆发可能在地质历史上的古生物大灭绝中起重要作用。20世纪60—70年代，前苏联学者曾用超新星爆发解释恐龙绝灭。o（四）小天体对地球的影响1.小行星冲击地球的效应与后果小行星冲击地球后可引起灾难性后果，形成陨石坑将粉碎的尘埃抛向空中，阻挡了太阳光，使铱含量增高，影响到气候变化、古生物的生长，甚至生物的大量死亡，引起构造活动等。2.彗星与灾变现象彗星对地球的危害有两个方面：有毒成分造成大气污染；与地球碰撞造成气候、生物和构造剧烈灾变。3.陨石与地震陨石与地震可能有密切的关系。1976年3月8日，我国吉林降落了大规模的陨石雨，而1976年也是我国地震的高峰年。三、地球的演化o（一）地球内部圈层的形成原始地球是均质的固体，主要由Si、O、Fe、Mg等化合物组成。地球开始是冷的，由于小行星碰撞转换来的热能、压缩导致温度升高和放射性蜕变生热而逐渐变热。由于Fe、Ni的熔点较硅酸盐低，达到熔点首先熔化，形成熔融的金属层，同时硅酸盐开始软化，为重力分异创造了有利条件，Fe、Ni向地心集结成地核；Si—Al、Si—Mg等较轻物质上浮，冷却成为原始地壳；二者之间的Fe—Mg硅酸盐组成地幔（图12-2）。图12-2地球内圈形成过程示意图o（二）大气圈和水圈的形成与演化早期大气缺氧，以CO2、H2O为主，其次为酸性气体，较高的氧气在元古宙进入大气圈，当时CO2减少并进入水体之中，于是有大量灰岩和白云岩生成。地球上大部分水在地质历史的早期阶段便已积聚形成，距今25亿年前的海水体积已颇具规模。海洋动物大多数在早古生代就已存在。大气圈和水圈的形成与发展使得地球表层动力系统逐渐完善。o（三）生命的起源与生物演化早期大气圈中含有CH4、NH3、H2等强还原物质，随着大气降水在地表聚集，形成“原始汤”。这些碳氧化合物在“原始汤中”发生反应，使碳原子链日益增长，分子逐渐复杂，形成蛋白质等大分子，进一步形成“复合团聚体”，再通过“时间组织化”（进化）过程产生细胞，生命就出现了。由无机物转化到有机物组成的原始生命，再由原始生命发展成细胞是一个复杂的物理化学和生物化学作用过程，要经历数亿年的时间，生物从原核细胞发展到真核细胞则需要更长的时间。在地质历史漫长的岁月中，生物由简单到复杂，由低级到高级，由水生到陆生，适应能力越来越强，最后形成繁盛的生物圈。地球在发展演化过程中，内部圈层和外部圈层的发展是相关联的，其历史梗概可归纳如下(表12-1)。地质时代冥古宙（46亿年—38亿年）太古宙（38亿年—25亿年）元古宙（25亿年—5.7亿年）显生宙（5.7亿年—现在）地球地球形成，小行星冲击壳、幔、核分离中心核增长层圈构造稳定地壳玄武质薄壳，局部岛弧早期为玄武岩薄壳与岛弧，晚期出现陆核陆核扩大形成稳定古陆，中晚期形成超大陆大陆经历了分裂—聚合—再分裂的历史大气圈早期H、He（？）晚期CO2、H2O无游离O2、CO2、H2O为主O2进入大气圈并逐渐增加O2增加CO2减少水圈可能为分散的浅水盆地（？）水圈主体形成，Eh、PH值低水圈积累，形成大量灰岩和白云岩水圈稳定接近现在水平生物圈无记录自养生物原核细胞生物，原始菌藻类真核细胞生物，菌藻类繁盛后生生物，各种植物、动物等四、新地球观—地球系统科学o（一）地球是一个系统1.地球系统科学就是要从整体论（holism）的观点出发，研究地球这个大系统内各个子系统，即各圈层内部以及圈层之间运动变化的全过程、形成机制以及可能发生的变化趋势。2.新地球观地球系统科学则更注意把地球当做一个行星从整体上来认识，进行各种时间尺度的演化研究，而不受地球各原有分支学科的局限。这是一种更广阔、更全面的地球观。o（二）地球的运动学和动力学系统地球是一个动力系统，所有物质都在运动，并有一定的规律。初看起来，坚实无比、十分稳定的地球处在不断的变化着。o（三）开放的地球系统地球自从诞生以来，整个系统与周围环境之间一直发生着质量、能量与动量的交换。1.地球不断接受宇宙能量①地球逐渐增大其质量；②陨石撞击地球既增加了质量，还增加了动能；③地球不断接受太阳能及宇宙射线的辐射。2.地球不断耗散能量①由于火山爆发、温泉出露等，地球的热量在散失；②地球在转动过程中，转动惯性能也在逐渐消耗；③地球是一个耗散系统。3.地球是一个开放系统应该把地球当做宇宙系统中的一分子，而不应该将其当做孤立的封闭系统。o（四）圈层间的强相互作用1.相邻圈层的强相互作用地球各圈层的强相互作用，意味着各圈层之间发生着耦合与解耦作用。耦合作用则指通过相互作用，彼此影响以至联合起来的现象；解耦作用则指通过相互作用之后，两体系解除耦合关系，仍分别各具特色，自成体系的现象。例如壳—幔边界，大气圈与岩石圈、水圈与岩石圈，大气圈与水圈之间均是如此。2.不相邻圈层之间的相互关系相隔甚远的圈层其实也可能以某种形式互相影响，例如，重力场受深部密度不同物质分布的影响；磁场主要受内核转速较快，使外核与地幔间发生差异运动而成等等。3.地质意义①地震之前的各种异常特征证明岩石圈深部的变化，应力释放对大气圈、水圈和生物圈产生明显的影响。②厄尔尼诺现象和拉尼娜现象只有从圈层相互作用和按照地球是一个开放的动力系统的观点去认识。o（五）不可逆进化在宇宙中地球的各圈层都是在相互作用的条件下不可逆地进化发展而形成的。自从地球形成以来，这些圈层一直处在不断由简单到复杂，由低级到高级的演化发展之中，并且按照各自的规律不可逆的、前进化的演化。o（六）均变与灾变地球的演化，并不是匀速、线性地发展，而是进行着变速的演化，表现为相对均匀变化与突变（灾变）交错相间的特征。o（七）各种时间尺度的周期性变化地球上许多运动变化常可存在一定的周期性，周期有长有短，并且都是非线性变化的周期。各种时间尺度的周期还可以互相叠加、互相影响，使周期性表现出十分复杂的演化过程。本节小结天文地质学是运用天文的方法、观测资料和成果探讨地球上各种地质现象、成因、演化的一门学科。地球演化早期，陨击作用十分普遍及强烈。银河系、太阳系、小天体对地球均有影响。地球是一个开放的动力系统，经历着由简单到复杂，由低级到高级、不可逆的进化过程，均变与灾变交替进行，并具有周期性。思考题（一）基本概念天文地质学陨击作用地球系统科学（二）回答问题1.简述宇宙环境与地球演化的关系。2.地球内部圈层如何形成？3.简述生命的起源与演化。4.根据已学过的知识，概述地球各圈层之间的相互作用。（三）画示意图说明陨击作用过程。本节参考文献1.陶世龙等．地球科学概论．北京：地质出版社．P126—138，19992.於崇文．固体地球系统的复杂性与自组织临界性．地学前缘，5（3，4）：159—182、347—368．19983.沃尔德罗·米歇尔．复杂．陈玲译．505页．北京：三联书店，19974.巴罗JD．宇宙的起源．卞毓麟译．上海：上海科学技术出版社，119页．19955.欧阳自远，张福勤，林文祝等．行星地球的起源和演化模式—地球原始不均一性的起源及其对后期演化的制约．地质地球化学，（5）：11—15．19956.欧阳自远，王世杰，张福勤．天体化学：地球起源与演化的几个关键问题．地学前缘，4（3—4）：175—183．19977.殷鸿福，徐道一，吴瑞棠．地质演化突变观．武汉：中国地质大学出版社，202页．19888.周瑶琪，吴智平，章大港，赵华刚，对地质节律与地球动力学系统的思考．地学前缘，4（3—4）：85—94．19979.任振球．全球变化—地球四大圈层异常变化及其天文成因．北京：科学出版社，226页．1