第四章地球的早期演化

1、第四章第四章 地球的早期演化地球的早期演化目前在地球上已知的最早巖石記錄大約形成于38億年以前，其中的碎屑鎬石年齡達(dá)42億年。但是對(duì)隕石和月巖樣品的研究則證實(shí)，太陽(yáng)系內(nèi)的星體在46億年以前就已經(jīng)形成。關(guān)于地球的形成及其后約10億年的演化歷史認(rèn)識(shí)主要是借助于天文觀察資料和地球之外的間接證據(jù)（隕石和月球）進(jìn)行的推論。1地球的起源地球的起源 地球的起源一般認(rèn)為是與太陽(yáng)系一同形成的。康德-拉普拉斯的星云假說(shuō)(kant-laplaces nebular hypothesis)是目前被認(rèn)為比較符合現(xiàn)在太陽(yáng)系特征，而又能合理解釋太陽(yáng)系形成的一種觀點(diǎn)。1）太陽(yáng)系的特征）太陽(yáng)系的特征 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征運(yùn)動(dòng)學(xué)特征：所有

2、行星基本在太陽(yáng)自轉(zhuǎn)平面內(nèi)逆時(shí)針繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)；除了金星和天王星外，其他行星逆時(shí)針?lè)较蜃赞D(zhuǎn)；除少數(shù)例外，衛(wèi)星也模仿行星的運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)。物質(zhì)組成特征物質(zhì)組成特征：類地行星類地行星 ( terrestrial planets): 個(gè)體小、密度大；由石質(zhì)和金屬元素構(gòu)成。類木行星類木行星( jovian planets): 密度小；木星和土星與太陽(yáng)一樣，主要由氫和氦組成。c.年齡特征：年齡特征： 隕石 46億年 月巖樣品 46億年 這些數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的太陽(yáng)年齡相吻合2）星云假說(shuō)（）星云假說(shuō)（nebula hypothesis）要點(diǎn)）要點(diǎn)： 太陽(yáng)系起始于一團(tuán)由宇宙塵埃顆粒和氣體構(gòu)成的冰冷而稀薄的星云。 星云逐

3、漸收縮而發(fā)生逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)動(dòng)，使星云被壓扁而成盤狀。90%的質(zhì)量集中到了盤狀星云的中心部位。 收縮和轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生引起湍流現(xiàn)象，星云系統(tǒng)中出現(xiàn)眾多的旋渦。其中一些旋渦成為物質(zhì)集聚的中心。 收縮使星云中心的物質(zhì)在重力作用下強(qiáng)烈壓縮，開(kāi)始發(fā)生熱核反應(yīng)，原始太陽(yáng)形成。同時(shí)，外圍的物質(zhì)凝縮和增生，形成原始的行星。 較大的原始行星通過(guò)碰撞和引力吸收自己軌道周圍的物質(zhì)；太陽(yáng)風(fēng)（solar wind）把殘余散漫在太陽(yáng)系內(nèi)的較輕元素和氣體吹到外圍；太陽(yáng)系最終形成。2地球內(nèi)圈層的形成和地殼的早期演化地球內(nèi)圈層的形成和地殼的早期演化1）地球內(nèi)圈層的形成地球內(nèi)圈層的形成 圈層的出現(xiàn)是行星內(nèi)部物質(zhì)在（自轉(zhuǎn)）離心力和重力作用

4、下通過(guò)熱力作用（熔融）發(fā)生的物質(zhì)分異結(jié)果。較重的物質(zhì)和元素向行星內(nèi)部遷移，較輕的物質(zhì)向外遷移。 這種分異作用什么時(shí)候開(kāi)始發(fā)生有兩種觀點(diǎn)： 冷增生模式：內(nèi)圈層的分異作用發(fā)生在行星誕生之后。 齊次增生 (homogeneous accretion) 熱增生模式：內(nèi)圈層的分異作用發(fā)生在行星的形成過(guò)程之中。 非齊次增生 (heterogeneous accretion)齊次增生非齊次增生地球內(nèi)圈層分異的兩種可能模式月球象我們的地球一樣，也具有核、幔、殼的圈層結(jié)構(gòu)。作為地月體系中的月球?yàn)槲覀兲峁┝说厍蚝恕⑨?、殼分異歷史和早期演化的重要線索。布滿隕石坑的亮色區(qū)域是“月陸”，暗色平坦區(qū)域是“月?！?。 月陸（

5、原始的月殼）在46-38億年以前就已存在。 在46-38億年期間，月球表面經(jīng)歷了強(qiáng)烈的隕石轟擊，使早期的月殼遭到破壞而千窗百孔。 月海玄武巖噴發(fā)主要發(fā)生在38-32億年前之間。 月球圈層分異作用大約在32億年以前就已經(jīng)基本停止。2）地殼的早期演化）地殼的早期演化“花崗質(zhì)”的陸殼是如何形成的？ 從部分熔融的上地幔物質(zhì)分離出來(lái)的上涌熔巖形成最初的地殼。 原始地殼多次重熔使較輕組分不斷被分離出來(lái)而帶到表層。 高地出現(xiàn)使固結(jié)的熔巖遭受侵蝕及化學(xué)風(fēng)化作用。這些風(fēng)化和侵蝕作用的產(chǎn)物構(gòu)成了地球上最早的沉積物。 來(lái)自地下深部的熾熱氣體和富硅熱液對(duì)沉積物的改造。 被改造的物質(zhì)再循環(huán)和熔融最終形成“花崗質(zhì)”的巖石

6、，構(gòu)成了大陸的核心。 新陸地的出現(xiàn)，為其邊緣的沉積提供了新的物質(zhì)來(lái)源；在后續(xù)的造山事件中，這些沉積物發(fā)生變質(zhì)和熔融作用而被焊接或“增生”到原始的陸核之上，使大陸不斷“增生”。3大氣圈和水圈的演化大氣圈和水圈的演化 現(xiàn)代地球大氣的組成主要是n2、o2和ar，它與相鄰的其它幾個(gè)行星的大氣組成存在明顯的不同。1）原始大氣圈的形成和性質(zhì)）原始大氣圈的形成和性質(zhì) 原始的地球大氣不是由在地球形成時(shí)的太陽(yáng)星云中的氣體物質(zhì)直接組成。 現(xiàn)代大氣虧損象氖（neon）、氪（krypton）等這樣的惰性氣體，說(shuō)明地球大氣圈的形成與太陽(yáng)星云氣體沒(méi)有直接的聯(lián)系，也就是說(shuō)，地球的原始大氣不是由太陽(yáng)星云中的氣體部分直接組成。

7、大氣組成大氣組成 金星金星 地球地球 火星火星 木星木星 土星土星 n2 3% 78% 2.7% - - o2 21% 0.13% - - co2 96% - 95.32% - - ar - 1% 1.6% - - co - - 0.08% - - h2 - - - 90% 97% he - - 10% 3% ch4 - - 0.07% 0.05% h2o 0.003% - 210 ppm - - 原始大氣圈的形成也是地球圈層結(jié)構(gòu)分異的結(jié)果。 從星云假說(shuō)中，我們知道地球是由凝縮的太陽(yáng)星云物質(zhì)顆粒聚集而成，包括在行星增生后期階段的強(qiáng)烈隕石轟擊過(guò)程。這些凝縮的太陽(yáng)星云物質(zhì)和隕石物質(zhì)含有大量的氣體和

8、揮發(fā)分。在受熱的情況下這些揮發(fā)分就會(huì)從巖石中釋放出來(lái)。原始大氣的物質(zhì)有兩個(gè)主要來(lái)源：a由隕石或小行星所攜帶的物質(zhì)。b聚集在地球內(nèi)部的凝縮的太陽(yáng)星云物質(zhì)； 理論計(jì)算表明，隕石可以帶來(lái)足夠的氣體物質(zhì)，并可以解釋今天地球揮發(fā)分的組成特點(diǎn)。 炭質(zhì)球粒隕石：有機(jī)質(zhì)中含有氮、氫、碳等元素，還有大約10%的水。碳質(zhì)球粒隕石碳質(zhì)球粒隕石 在地球圈層的熱力分異過(guò)程中通過(guò)火山噴發(fā)的方式把各種氣體和揮發(fā)分物質(zhì)釋放到大氣中，這一過(guò)程稱為放氣作用（outgassing）。原始大氣的性質(zhì)取決于早期放氣階段的巖石的溫度和巖石的氧化狀態(tài)。 現(xiàn)代火山噴發(fā)為我們提供了重要的例證： h2o（79%），co2（12%），so2（6%

9、），n2（1%） 但現(xiàn)代火山噴發(fā)的放氣作用與地球原始的放氣作用之間存在重要的差別：氣源來(lái)自板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)帶到地球內(nèi)部的較年輕巖石原始的大氣組成，以二氧化碳和水蒸汽為主，其次是一氧化碳、氫氣及氯化氫氣體，還可能有微量的甲烷、乙烷、二氧化硫、硫化氫等氣體。2）水圈的形成：）水圈的形成： 在原始大氣形成過(guò)程中和之后，隨著地球表面的溫度降低，水蒸汽就會(huì)凝聚，以降水的形式來(lái)到地表，在地表低洼的地方匯聚，最終形成海洋。現(xiàn)有的地質(zhì)證據(jù)表明地球上的海洋在38億年以前就已形成。3）大氣圈和水圈的演化：）大氣圈和水圈的演化： 原始大氣的性質(zhì)是強(qiáng)還原性的。大氣圈的重要演化過(guò)程是那些化學(xué)活動(dòng)性強(qiáng)的氣體物質(zhì)通過(guò)與大氣中的

10、和地球表面的其他元素或物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)而逐漸從大氣中消失，化學(xué)活動(dòng)性穩(wěn)定的氣體則逐漸積累，在地球演化的過(guò)程中最終形成現(xiàn)代類型的大氣。 h2o + so2 h2so4 h2so4 + 陽(yáng)離子 硫酸鹽 + h2o hcl + 陽(yáng)離子 氯化物 + h2o 在地球上出現(xiàn)游離氧之前，非常重要的化學(xué)反應(yīng)是光化學(xué)反應(yīng)（photochemical reaction） h2o + co co2 + h2 h2o h2+ o nh3 n2 + h2 由光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧與其他強(qiáng)還原性氣體反應(yīng)： o + co co2 o + c h4 co2 + h2o o + h2s so2 + h2o這些化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果使

11、n2和co2的含量在大氣組成中逐漸增加，其他氣體含量逐漸減少，形成類似于現(xiàn)代金星和火星的大氣。大氣的演變同時(shí)也使水圈處于較強(qiáng)的酸性特征，而在水圈中也發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。流水帶來(lái)的各種陽(yáng)離子與酸反應(yīng)使水圈的酸性逐漸降低，鹽類的聚集則使海洋的鹽度迅速增加。當(dāng)大氣中的所有強(qiáng)還原性物質(zhì)（如co、ch4、h2s、so2等）和水圈中的酸性物質(zhì)基本被耗盡后，游離氧才可能在大氣和水圈中存在。游離氧的出現(xiàn)標(biāo)志著地球大氣的演化就開(kāi)始了一個(gè)嶄新的演化階段-向現(xiàn)代地球大氣演化。 由光化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氧的積累是非常緩慢的。金星和火星的大氣組成就是一個(gè)例子。 游離氧在大氣圈中的出現(xiàn)和迅速積累與生物的光合作用密不可分。 在

12、水圈中，通過(guò)生物作用和化學(xué)反應(yīng)，co2 被固結(jié)到了地殼中：co2 + h2o + ca+2、mg+2 caco3、mgco3 這一演化階段大體開(kāi)始于20億年前。1822億年前形成的紅色條帶狀硅鐵建造（bif）-游離氧存在的證據(jù)水在自然界的循環(huán)大氣圈h2oco2n2光合作用呼吸作用降水和蒸發(fā)生物圈co2co2o2o2水圈氧化作用放氣作用風(fēng)化作用co2h2o巖石圈生物沉積作用co2co2化學(xué)沉積板塊運(yùn)動(dòng)o2co2大氣圈和水圈的演化 大氣圈和水圈的演化是氣體物質(zhì)在“四圈”中的不斷循環(huán)的結(jié)果。生物圈的出現(xiàn)則使地球的大氣走上了與其他行星完全不同的演化道路。最終形成了現(xiàn)代的大氣。4.化學(xué)進(jìn)化與生命起源化學(xué)

13、進(jìn)化與生命起源 生命起源問(wèn)題仍然是自然科學(xué)中沒(méi)有解決的問(wèn)題。科學(xué)家現(xiàn)在相信地球上的生命是在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的化學(xué)進(jìn)化和有機(jī)進(jìn)化，即從無(wú)機(jī)物有機(jī)物具生命活性的物質(zhì)（如氨基酸、蛋白質(zhì)等） 生命形式的出現(xiàn)的演化歷程之后形成的?；瘜W(xué)演化階段化學(xué)演化階段（前生命演化）：具細(xì)胞結(jié)構(gòu)生命形式出現(xiàn)之前的演化階段生物學(xué)演化階段生物學(xué)演化階段1000 ma2000 ma3000 ma4000 ma核幔分異地球的形成光合作用起源最早的細(xì)胞生命記錄最早的沉積記錄真核細(xì)胞起源大氣圈自由氧積累元古宙太古宙顯生宙生物學(xué)進(jìn)化化學(xué)進(jìn)化宏觀生物出現(xiàn)多樣化發(fā)展人類對(duì)生命起源問(wèn)題的認(rèn)識(shí)歷程人類對(duì)生命起源問(wèn)題的認(rèn)識(shí)歷程q“原始湯”(prim

14、odial soup) 假說(shuō)（1920s） 地球早期有一個(gè)還原性的大氣圈，地表布滿了“溫暖的小水池”，里面充滿了含有蛋白質(zhì)等有機(jī)物的“原始湯”，生命就誕生在這個(gè)“原始湯”中。 地球表面許多溫暖的、富含蛋白質(zhì)的小水池在緩慢冷卻的過(guò)程中，使蛋白質(zhì)聚集成微小的球體而演化成細(xì)胞生命。奧巴林的“團(tuán)聚體”實(shí)驗(yàn)1952年urey和miller根據(jù)奧巴林的早期地球還原性大氣圈的假設(shè)，在實(shí)驗(yàn)室里用甲烷(ch4)、氨氣(nh3)、氫氣(h2)和水蒸氣(h2o)，在放電的條件下合成了多種氨基酸等有機(jī)物分子。“原始湯原始湯”中的蛋白質(zhì)如何而來(lái)中的蛋白質(zhì)如何而來(lái)？ 地內(nèi)自生： urey-miller實(shí)驗(yàn) 宇宙來(lái)源：隕石

15、中含有氨基酸氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本分子。實(shí)驗(yàn)證明氨基酸脫水可以聚合為蛋白質(zhì)20世紀(jì)60-80年代：核酸分子結(jié)構(gòu)和遺傳學(xué)的研究進(jìn)展開(kāi)始使人們相信具有自我復(fù)制和負(fù)載遺傳信息的核酸分子是生命的分子基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)、dna、rna，誰(shuí)先誰(shuí)后？ 20世紀(jì)80年代以后，隨著人們對(duì)生命的化學(xué)進(jìn)化的認(rèn)知和對(duì)生命特征認(rèn)識(shí)的不斷深入，逐漸開(kāi)始從2個(gè)不同的方面探討生命的起源。生命源自何方？地球，還是宇宙生命大分子如何在無(wú)機(jī)環(huán)境中聚合20世紀(jì)80年代以來(lái)的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)突破： 有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生命至少在35億年前就已存在。 過(guò)去被認(rèn)為是生命的特有特征和現(xiàn)象（如自我復(fù)制）也存在于某些化學(xué)-物理系統(tǒng)之中。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的演化概

16、念已不局限于生物系統(tǒng)。 對(duì)極端環(huán)境的生命考察和研究突破了關(guān)于生命生存極限的傳統(tǒng)觀念。 生命起源的多樣性。 生命源自何方？生命源自何方？ 地外化學(xué)進(jìn)化與地外化學(xué)進(jìn)化與“新泛種論新泛種論” (neopanspermia) 現(xiàn)在有許多證據(jù)表明生命的化學(xué)進(jìn)化過(guò)程不僅僅限于地球上，很可能在地球形成之前就已經(jīng)在宇宙中發(fā)生了：l從地殼的形成到最早的細(xì)胞生命出現(xiàn)的時(shí)間間隔相對(duì)來(lái)說(shuō)是很短的；l宇宙空間中的星際物質(zhì)以及其它天體中含有大量的有機(jī)分子。如有些隕石中含有大量的有機(jī)碳；宇宙塵埃中不但有象醇、醛、有機(jī)酸等簡(jiǎn)單的有機(jī)分子，也有象氨基酸、嘌呤、嘧啶等較為復(fù)雜的有機(jī)分子。l宇宙中的有機(jī)分子可通過(guò)某些途徑到達(dá)地球表面，如隕石和彗星的撞擊等。 在地球早期演化過(guò)程中，星際有機(jī)分子可能通過(guò)彗星尾部對(duì)地球的“轟擊”而大量進(jìn)入地球，成為前生命化學(xué)進(jìn)化的基本原料。-“新泛種論”現(xiàn)代的非生物有機(jī)合成與現(xiàn)代的非生物有機(jī)合成與“新自生論新自生論” 今天的地球環(huán)境與早期的地球環(huán)境已大不一樣，現(xiàn)在的地球表面已經(jīng)不具備前生命進(jìn)化所需的環(huán)境條件。但是20世紀(jì)70年代末在太平洋中脊附近發(fā)現(xiàn)的水熱噴口(hydrothermal vent)生態(tài)系統(tǒng)卻是個(gè)例外。 在水溫高達(dá)350c ，水深2000-3000 m