第十二章地球的起源与演化

第十二章地球的起源与演化背景图片是土星一、天文地质二、太阳系及地球的起源三、地球的演化主要内容一、天文地质太阳系内的天体在物质组成、结构、起源和演化历史等方面都有一定的相似性和可类比性，地球的形成和发展与太阳系、银河系甚至宇宙星体都有密切的联系。地球的起源涉及到宇宙与太阳系的演化。一、天文地质1.宇宙起源新说1.宇宙起源新说——宇宙大爆炸学说天文观测得到的事实：几乎所有观测到的星系均以极高的速度远离我们而去，而且星系或星系团距离我们越遥远，其背离我们的运动速度也越大。宇宙在以极高的速度膨胀。星体之间的背离运动是通过“红移”揭示的。一、天文地质1.宇宙起源新说1927年，比利时天文学家勒梅特和美国物理学家伽莫夫提出了“宇宙大爆炸理论”：宇宙最开始是一个“原始火球”，它的最初温度达到几十亿度。在“原始火球”里，物质以基本粒子形态出现；在基本粒子的相互作用下，“原始火球”发生爆炸，向四面八方均匀地膨胀。在膨胀过程中，辐射温度和物质密度迅速下降，核反应于是停止。在这期间产生的各种元素就形成了今天宇宙间的各种物质。在膨胀降温时，辐射物质慢慢凝聚成星云，并进一步演化成今天见到的各种天体。一、天文地质1.宇宙起源新说“宇宙大爆炸”发生于距今（150±30）亿年前，这就是目前人类所观测到的这个宇宙的诞生时间。宇宙大爆炸学说已被天文观测到的许多事实所支持。其中最重要的事实之一是宇宙中存在6K左右的背景辐射。一、天文地质2.陨击作用2.陨击作用陨击作用：即陨石撞击作用的简称，是指宇宙空间的陨石高速撞击到地面的过程中所发生的一系列作用。在地球演化的早期，由于大气圈尚很稀薄，陨击作用十分普遍和强烈。后来随着大气层的厚度与密度逐渐增大，地球上的陨击作用有减弱的趋势。陨石坑的形成过程图解123456陨星撞击回弹火山喷出物覆盖熔化的岩石和陨星喷出物一、天文地质2.陨击作用月球表面的陨石坑在大的陨石坑中发育小的陨石坑，说明受到多次陨石撞击一、天文地质2.陨击作用美国亚利桑那州的Winslow陨石坑一、天文地质3.太阳系天体地质概况（1）太阳3.太阳系天体地质概况（1）太阳太阳的直径是地球直径的109倍，体积为地球体积的130万倍，质量为地球质量的33.3万倍，密度却只有地球密度的1/4。太阳表面温度6000℃，呈一个炽热的气体球。太阳能源自太阳中心的热核反应。一、天文地质3.太阳系天体地质概况（2）行星（2）行星类地行星：包括水星、金星、地球和火星。类地行星的特点：距太阳近，体积小，质量小，密度大，自转慢，卫星少。类木行星：包括木星、土星、天王星和海王星。类木行星的特点：距太阳远，体积大，质量大，密度小，自转快，卫星多，多具星环。冥王星具类地行星的某些特征。太阳系主要天体的特征水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星太阳月球距太阳平均距离(106km)57.8108.2149.6227.9778.31427287044975900公转周期(地球日或年)88日224.7日365.3日687时11.86年29.46年84年164.8年248年365.3日自转周期(地球时或日)59日-243日23.9时24.6时9.9时10.4时-10.8时16时6.4日27日27.3日赤道直径(km)484712118127566761142870119399517904949412801890003460质量(地球质量计为1)0.0550.81510.108317.995.214.617.20.00163328300.012平均密度(水的密度计为1)5.45.25.53.91.30.71.61.6551.0841.4343.36最高表面温度℃3153156024-145-168-183-195-2175540100表面重力(地球表面重力计为1)0.370.8810.382.641.151.151.120.0427.90.17已知卫星数0012151252100一、天文地质3.太阳系天体地质概况（2）行星类地行星的表层物质大多由火山岩组成，化学成分为硅酸盐为主。有的行星表面有碎屑物覆盖。水星表面覆盖有一层与月球表土层相似的浮土。金星表面有一层厚度不到1m的覆盖物。木星的表层物质较为特殊，由氢、氦液体组成液态海。一、天文地质3.太阳系天体地质概况（2）行星火星表面的峡谷延伸长约5000km一、天文地质3.太阳系天体地质概况（2）行星火星表面的“运河网”被认为是过去某个时期流水（或液体）作用的结果一、天文地质3.太阳系天体地质概况（2）行星火星上最大的火山也可能是太阳系最大的火山一、天文地质3.太阳系天体地质概况（2）行星类木行星和类地行星的内部构造示意图木星和土星天王星和海王星类地行星原始行星残骸层一、天文地质3.太阳系天体地质概况（3）卫星（3）卫星卫星是绕行星运行而本身不发光的天体。迄今为止，已发现火星有卫星2个，木星有6个，土星有23个，天王星有5个，海王星有2个，冥王星有1个。月球是地球唯一的卫星。月球的直径大致是地球的3/11，质量约为地球的1/80。月球上没有河流、湖泊和海洋，也没有大气，基本处于真空状态。一、天文地质3.太阳系天体地质概况（3）卫星月球表面景观雨海哥白尼坑静海一、天文地质3.太阳系天体地质概况（3）卫星地球地壳月球月壳外核内核幔体幔体地球与月球内部构造比较月球的内部结构与地球类似，具有月壳、月幔和月核，但月核无内核与外核之分。一、天文地质3.太阳系天体地质概况（4）小天体（4）小天体太阳系的小天体包括小行星、彗星、流星体和陨星等。金星木星土星天王星海王星冥王星小行星带火星水星一、天文地质3.太阳系天体地质概况（4）小天体小行星：位于火星和木星之间数以千计的石质天体，最大直径1003km。彗星：一种质量较小、形态特异的天体，由彗核、彗发和彗尾组成，成分主要是碳、氢、氧组成的挥发份，含有镁、铁、硅酸盐岩石碎片和尘埃。流星：原来绕太阳运行的小天体受地球引力影响改变了轨道，穿过地球大气时因燃烧而发光的天体。流星没有烧完剩余的部分掉到地面就成为陨石。一、天文地质3.太阳系天体地质概况（4）小天体彗星的结构为了显示彗核的细节，彗核被放大了数千倍彗核彗发彗尾彗星运动方向磁力线二、太阳系及地球的起源1.太阳系和地球起源的基本问题1.太阳系及地球起源的基本问题关于太阳系和地球起源的理论都应该对太阳系的下述特征给予合理的解释。（1）所有行星公转的运行轨道都接近圆形，并且几乎位于同一轨道平面上（共面性），各轨道平面与太阳赤道面交角均小于7，只有冥王星轨道面交角大些（179）。（2）几乎全部行星都以同一方向绕日运行，而且还各自以同一方向绕轴自转（同向性），大部分卫星也是作同方向旋转，只有金星和天王星及部分卫星呈反向旋转或呈大角度斜向旋转。（3）各行星与太阳间的距离具有近似于几何级数递增的规律。二、太阳系及地球的起源1.太阳系和地球起源的基本问题（4）太阳占太阳系总质量的99.86%，可是角动量（C=mr2ω)只占太阳系角动量的1%，其余99%的角动量分配在行星、卫星、彗星和小行星中。（5）类地行星距太阳近，体积小，质量小，密度大，自转慢，卫星少；类木行星距太阳远，体积大，质量大，密度小，自转快，卫星多，多具星环。（6）太阳系内其它天体上已知的元素在地球上都存在，即太阳系具有组成物质的统一性。行星的内部结构一般均可分为星壳、星幔和星核3个圈层，即内部结构具有相似性。（7）根据月球、地球和陨石样品中所含放射性元素的同位素年龄测定，得出了46亿年的相近年龄，推测它可能代表了行星的形成年龄，即太阳系行星的形成年龄具有一致性。二、太阳系及地球的起源2.太阳系和地球起源的假说2.太阳系和地球起源的假说（1）康德的“星云说”宇宙中弥漫着气体与尘埃组成的星云，在万有引力作用下密度较大的微粒吸引周围密度较小的物质逐渐聚集成巨大的球体，即原始太阳，原始太阳周围的微粒继续向引力中心竖直落下时由于受斥力而发生偏转，其中有一个主导方向，逐渐形成扁圆的旋转云状物。同时又逐渐聚集成小团块，在引力和斥力的共同影响下绕太阳旋转，形成行星。行星周围的颗粒以同样过程形成卫星。太阳是在太阳系聚集时开始发热发光。二、太阳系及地球的起源2.太阳系和地球起源的假说（1）康德的“星云说”（1）康德的“星云说”二、太阳系及地球的起源2.太阳系和地球起源的假说（2）拉普拉斯的“星云说”原始太阳是炽热的球状星云，直径有太阳系直径那么大，缓慢旋转。由于散热收缩而自转加速，致使赤道离心力增大，星云变扁，当离心力超过向心力时分离出一个环，以后又相继分离出多个环，各环绕太阳运转时逐渐吸聚成行星。热的行星以同样方式形成卫星。现在已知木星、土星和天王星都有这样的环，人们把这种环称为拉普拉斯环。二、太阳系及地球的起源2.太阳系和地球起源的假说（3）霍伊尔-沙兹曼的“磁耦合假说”①50亿年以前,，主要由H、He和尘埃组成的巨大星云中形成了一个旋转着的圆盘；②圆盘收缩到一定程度后沿赤道方向抛出一个次级圆盘，次级圆盘的质量仅占星云总质量的1%，剩余部分逐渐凝聚成为太阳。③冷的、密度较大的次级圆环部分进一步聚集成为类地行星；④逃逸的密度较小的次级圆环部分聚集成为类木行星。三、地球的演化1.地球内部圈层的形成三、地球的演化1.地球内部圈层的形成一般认为原始地球是均质的固体，主要由硅、氧、铁、镁等的化合物组成。地球开始是冷的，由于三个原因逐渐变热：小星体碰撞转换来的热能、压缩导致温度升高和放射性元素蜕变生热。三、地球的演化1.地球内部圈层的形成地球内部圈层的形成过程示意图（a）早期地球很可能成分均一；（b）早期地球加热到Fe和Ni的熔点，由于Fe和Ni的密度大于硅酸盐，它们向地心集中。同时，轻的硅酸盐上升形成地幔和地壳。（c）通过这种方式形成了内部具有分异的地球，致密的Fe和Ni组成了地核，富Fe的硅酸盐组成了地幔，而硅酸盐质的地壳则发育大陆和大洋盆地。三、地球的演化2.地壳的演化2.地壳的演化冥古宙地壳：以基性岩为主，经分异在局部形成了花岗质的原始地壳，存在微弱的板块活动。太古宙地壳（38~25亿年）：地壳早期发展阶段。在太古宙中、晚期，地壳上出现了一些分散的、孤立的较小古陆核。元古宙地壳（25~18亿年）：陆核逐渐扩大，地壳的稳定性得以加强。中元古代末形成超大陆(Rodinia大陆)，新元古代(10~5.7亿年）时超大陆解体。显生宙地壳：总体经历了分裂-聚合-再分裂的历史。二叠纪以来全球大陆重建二叠纪形成的联合古陆或泛大陆（Pangaea）在三叠纪解体成为北方的劳亚古陆和南方的冈瓦纳古陆，其间向东的开口就是特提斯。三、地球的演化3.大气圈和水圈的形成与演化3.大气圈和水圈的形成与演化（1）地球形成初期的大气圈可能比较稀薄，主要由H、He组成，密度小，在地球上存在的时间不长；（2）地球的排气活动（主要通过火山活动）使大气圈在冥古宙晚期至太古宙时以水汽（H2O）和CO2为主，其次为N2、HCl、HF、NH3、CH4、H2S。温室效应使地表温度高达70℃；（3）太古宙末期大气中的O2仅占5.5%，其形成过程与上层大气中的H2O受紫外线照射分解有关。生物在光合作用过程中制造的O2逐渐增加了大气圈中O2的含量，元古宙末期达12%，中生代初18%，现今20.94%；（4）元古宙时期大量的CO2以碳酸盐岩的形成被固定下来；（5）O2与NH3化合产生N2和H2O，使大气圈中N2含量增加。三、地球的演化4.生命的起源与生物演化4.生命的起源与生物演化（1）生命是从无机界中产生的。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；（2）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；（3）太古宙时地球上的有机界处于萌芽状态，太古宙晚期在海洋里已出现最原始的生物；（4）元古宙藻类空前繁盛，元古宙晚期出现低等多细胞的海绵动物和腔肠动物；晚古生代出现陆生植物；泥盆纪出现两栖类，二叠纪末出现爬行类。中生代晚期鸟类和哺乳类出现；（5）上新世至第四纪初出现了最早的人类。