02-行星地球简史

第二章行星地球简史一、宇宙大爆炸二、太阳系的起源三、地球的诞生四、现代地球环境的逐渐形成五、怎样知道地球的过去？六、同位素年龄测定一、宇宙始于大爆炸混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊者下凝为地。——《幼学琼林》(明)20世纪初,斯里弗尔(Slipher)(1875-1969)在观测银河系外的仙女座大星云时，取得15个星系的光谱资料，经过研究，发现其中13个正在以每秒几百公里的高速退行，即离开我们愈来愈远。1929年,哈勃(Hubble)根据观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的速度和它与我们(地球)的距离成正比，即离得愈远退行愈快。这个发现告诉我们，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们已知的宇宙正在膨胀。宇宙正在膨胀在哈勃发表其成果前，就有人根据爱因斯坦的广义相对论，演绎出宇宙在膨胀的理论。以后的天文观测继续有新的发现，证明宇宙在膨胀，曾测到有的河外星系之间，正以每小时250万km的速度在拉开距离。宇宙正在膨胀设想宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密,高温(约1032K，绝对温度1亿亿亿亿度).发生大爆炸，“原始原子”迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙.1927,勒梅特(Lematre,比利时):BigBang宇宙形成的过程大爆炸1s后，温度降为1010K，粒子间的强相互作用、弱相互作用、电磁力和引力开始分开。在高温下处于基本粒子状态的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子。约在大爆炸后50-100万年，首先由电子和质子合成氢原子，接着是氦原子也大量生成了，随后其他所有元素的原子从轻到重依次聚合而成。爆炸后100万年到20亿年，逐步形成各类天体星系。爆炸后约70亿年，太阳系出现。大爆炸的证据爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到40000K以下时才开始形成，现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿年，符合这个理论的推断。盖莫夫(Gamow,1904-1968)预言：在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今还存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温度几度.大爆炸的证据1964年，威尔逊山上，彭兹亚斯(Penzias)和威尔逊(Wilson)利用高灵敏度的射电天文望远镜，在各个方向都测得一种3K的微波背景辐射(1978诺贝尔物理奖)。1989~1992年实现了宇宙微波背景探测卫星计划，记录了宇宙微波背景辐射谱，精确地测量了黑体辐射谱的符合温度为2.728±0.004K（主要负责人马瑟和斯穆特获2006诺贝尔物理奖）。大爆炸的证据在不同天体上测得的氦的丰度(即其在天体中的含量)一般都达到20%左右，仅靠太阳上那种氢合成氦的热核聚变，在137亿年左右的时间里是不能造出这么多氦气的，但大爆炸能做到。三百多年前仙后A座超新星爆炸现代天文观测中多次记录了超新星爆炸，及两个黑洞撞击爆炸因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实二、太阳系的起源形成于大爆炸发生约100亿年之后哲学家康德(Kant)－星云说（1755年）在献给普鲁士国王的《自然通史和天体理论》中假定：最初“整个宇宙的物质都处于分散的状态，并由此造成一种完全的混沌”，“构成我们太阳系的星球的物质，在太初时都分解为基本微粒，充满整个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转”.是万有引力的作用，使这些原始的弥漫物质逐渐分别凝聚，形成了太阳系内的各天体。拉普拉斯(Laplace)-宇宙体系论述（1796年）旋转星云析出圆环，圆环一次又一次地被分出来，并分别凝聚结成行星，行星周围的卫星也有着类似的形成过程。星云中心部分则收缩成为太阳。拉普拉斯虽没看到过康德的书，但他自己独立提出的见解却与康德大同小异，而且充实了星云说。星云说星云：气体和尘埃的凝聚大部分物质发生引力集聚；部分尘埃和气体由于离心力围绕中心旋转；行星生长其它碎片要么合并成行星，要么被太阳风吹走20世纪初期－中期•灾变说：外来恒星擦过乃至撞击了原始的太阳，是太阳物质分离出来形成太阳系。•潮汐说：太阳在接近旁边的恒星时，吸引来一些物质形成太阳系。•俘获说：设想原始太阳随着银河系公转，在经过有大量星际物质弥漫的太空时，它们吸引在周围，成为行星的物质来源。遇到的理论障碍：角动量不守恒但遇到更多障碍，没有长期站住脚1942年瑞典物理学家阿尔文(H.O.G.Alfven,1908-)提出：太阳可以通过磁场的作用，把自己的一部分角动量转移给形成行星和卫星的云团。电磁场的作用能说明在太阳系形成的过程中，从中心抛出物质的质量虽不多，但带走的角动量可以很多；太阳内部的转速仍可能很快。星云说进一步完善三、地球的诞生天，积气也；无处无气。地，积块(土)也；充塞四虚，无处无块。”－列子·天瑞20世纪30年代末天文观测证实•在银河系中，有许多气体和尘埃存在•气体主要是氢和氦。气体在这些星际物质中，按质量计要占到98%左右。•尘埃：1）水、甲烷和氨等液体、气体冻结而成的固体微粒；2）少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体材料，不及2%，颗粒细微（~1μm），微粒弥漫在整个太空中。•太阳系的化学成分中氢最多、其次是氦、然后依次为氧、碳、氮、氖、硅、铁、硫等元素。地球的成分•氢和氦的含量都很少•而是铁占了第一位，其次是氧和硅，还有很多镁、镍和铝等金属。地球前身的形成形成地球的冷星云，在万有引力的作用下，物质的微粒互相吸引，形成小的团块，即星子;星子间互相吸引，大的吃掉小的，不断碰撞、不断吸积，直至成为地球和其他行星的前身;原始的地球是一个比今日的地球大得多的尘埃的集合体，大致沿着今天的地球轨道进行公转和自转。地球的形成在太阳系内，由于接受的太阳辐射多，温度高，轻的气体被辐射到远处，散失到太阳系的外部远处构成类木行星近太阳的地区，以尘埃中的固体物质为主，化学组成当然和原来的星云有显著的不同（铁、硅、镁、氧为主）近处构成类地行星地球的形成原始地球内的“星子”受到引力的作用向中心聚集，体积逐渐缩小，物质的密度越来越大；除了万有引力，物质还要受自转所产生的惯性离心力的作用。随着地球体积的缩小，其自转速度加快，物质所受惯性离心力增大。当离心力增大到与引力平衡时，地球的体积就不再缩小。地球收缩冷－热－冷尘埃向中心聚集的过程中，由于引力的作用，体积收缩，压力加大，会释放出大量的热量。放射性元素的蜕变和陨石的撞击，也都要放出热能；尽管原始的星云物质是冷的，后来地球曾经历过一个高温时期，至少是局部物质处于熔融状态，以后收缩停止，才又逐渐冷却凝结重力作用与高温的影响，固体地球内部的物质发生部分熔融，重者下沉，轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构；铁和镍比较重，含量也多，分离出来成为液态的金属向中心聚集，形成地核；较轻的硅酸盐物质形成地幔和地幔之上的地壳；气体和水等轻物质(可能主要从地幔分离出来)被吸引在固体球的外围。地球圈层的形成四、现代地球环境的逐渐形成46亿年前整个地球的温度都很高，表面也接近于熔融的状态各类岩石的块体（以星子为基础）各不相属地分布在地球的表面后来构成大陆的地壳46－36亿年前（冥古宙）大约在40亿年前后，越来越多的较轻的硅酸盐成分迁移到上部冷凝，地球终于有了一个虽然还比较薄的、但已是连续完整的地壳.原始地球表层一些处于熔融状态的物质向上挤入地壳中凝结，或涌出地面，表现为广泛分布的火山活动;另一方面物质又在向下流动，把上面已固结的地壳撕裂，并将其部分碎块拽向深处，使它再次熔入地幔物质之中;广泛分布的火山活动薄弱的地壳在陨石的撞击下，形成大量陨击坑最初的大气成分主要是水蒸汽，还有一些二氧化碳、甲烷、氨、硫化氢和氯化氢等直到距今36亿年前，地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的；随着时间的流逝，地球上的温度逐渐降低(100℃)，大气中的水蒸汽陆续凝结出来，形成了广阔的海洋，海水中也缺少氧，而且也含有许多酸性物质；36－25亿年前（太古宙）36亿年前，海洋中开始有了生命的活动。出现最原始的原核细胞生物—菌类、蓝绿藻32-29亿年前能起光合作用的藻类开始繁殖，开始消耗二氧化碳，产生出氧气大约到27亿年前，游离氧在海洋中出现。绿色植物的大量繁殖，更加快了大气和海洋环境的变化，使其有利于高等喜氧生物的发展25到6亿年前（元古宙）经过强烈地壳活动，地球岩石表层发生变形变位，大陆不断扩大，在距今约18亿年前（古元古代末），已接近现在规模。在距今18亿-5.4亿年前（中新元古代时期）大气变成以二氧化碳为最多海洋里的生物最多的是菌藻植物，它们的活动促成二氧化碳和海水中的钙镁等元素相结合，碳酸钙、镁等物质沉淀在海底，使大气中的二氧化碳减少，氧和氮的含量逐步增加，到新元古代时期，大气圈的成分才逐渐接近目前的情况。最近6亿年来（显生宙）大气圈的成分渐渐接近目前的状况大气和海洋中，原为酸性的水在与岩石相互作用时，将硅酸盐物质中的钠、钾、钙、镁、铝、铁等金属元素夺取出来，形成多种盐类（以氯化物为主），海水的成分也慢慢变成与今天相近的了在这种环境中，生命加速发展，海洋中的生物迅速繁荣起来（化石证据较多）地质年代表宙(宇)代(界)纪(系)起始同位素年龄(Ma)第四纪(系)0新生代(界)新近纪(系)古近纪(系)65.5白垩纪(系)中生代（界）侏罗纪(系)三叠纪(系)251显生宙(宇)二叠纪(系)石炭纪(系)Carboniferous古生代(界)泥盆纪(系)Devonian志留纪(系)奥陶纪(系)Ordovician寒武纪(系)Cambrian543新元古代(界)元古宙(宇）中元古代(界)古元古代(界)2500太古宙(宇)3600冥古宙(宇)4600古生代动物群：1）以海生无脊椎动物中的三叶虫、软体动物和棘皮动物最繁盛；2）奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪，相继出现鱼类、古两栖类和古爬行类动物；3）石炭纪和二叠纪昆虫和两栖类繁盛。古植物：海生藻类为主。中生代：恐龙类、色龙类、翼龙类等新生代：哺乳动物和被子植物的高度繁盛为特征。五、怎样知道地球的过去？地球的历史就记录在岩石之中(p:18-23)沈括（1031-1095）：最早在《梦溪笔谈》中对地表的许多自然现象进行了科学的解释，如他根据太行山山崖间所见所见海生螺蚌化石推断现在距大海千里的该地在古代曾经是海滨。中国学者朱熹(1130-1200)发现尝见高山有螺蚌壳，或生石中，此石即水中之物。下者却变而为高，柔者变而为刚。此事思之至深，有可验者。意大利著名的艺术家、知识渊博的学者达·芬奇(LeonadoDaVinciI，1452-1519)亚平宁山脉上发现的海生介壳化石，本是生活在海滨的生物，是河流带来泥土把它们掩埋，并且渗入了它们的内部。他推论，后来这里的地势升高，所以这些海洋生物的遗体就会出现在山上。地质年代的确定相对地质年代的方法地层层序律化石层序律地质体之间的切割律同位素地质年代（绝对年代）相对地质年代早就划分出生物地层的地质年代但仅能排出相对先后，无法确定具体的时间地层层序律1669年，出生于哥本哈根的斯特诺(NicolausSteno，1638-1686)总结出在岩层之间，存在着如下的规律：岩层在形成后，如未受到强烈的地壳运动的影响而颠倒原来的位置，应该是先沉积的在下，后沉积的在上，一层压一层，保持近于水平的状态，延展到远处才渐渐尖灭。地层：是具有时间意义的岩层或岩层的组合，每一段地层代表着一定的时间。地层：是具有时间意义的岩层或岩层的组合，每一段地层代表着一定的时间。早奥陶世（O1）晚寒武世(є1)地层：是具有时间意义的岩层或岩层的组合，每一段地层代表着一定的时间。地层单位宇界系统阶地质时代单位宙代纪世期显生宙古生代奥陶纪早奥陶世Floian期地质年代表宙(宇)代(界)纪(系)起始同位素年龄(百万年)第四纪(系)0新生代(界)新近纪(系)古近纪(系)65.5白垩纪(系)中生代（界）侏罗纪(系)三叠纪(系)251显生宙(宇)二叠纪(系