地球科學(xué)概論第十二章-地球的起源與演化

第十二章地球的起源與演化第一節(jié)天文地質(zhì)第二節(jié)太陽(yáng)系及地球的起源第三節(jié)地球的演化

地球在形成、發(fā)展、演化中并非孤立進(jìn)行，而是受到宇宙因素影響。地球巖石和地層記錄中保存著許多天文過(guò)程的信息，這些均體現(xiàn)了地球和宇宙的統(tǒng)一關(guān)系。

第一節(jié)天文地質(zhì)

天文地質(zhì)學(xué)是運(yùn)用天文學(xué)的方法、觀測(cè)資料和成果來(lái)研究地球以外天體的組分、結(jié)構(gòu)、起源和演化歷史，并應(yīng)用這些研究成果探討和解釋地球上的各種地質(zhì)現(xiàn)象的成因和演化規(guī)律的學(xué)科。

是一門內(nèi)容廣、綜合性強(qiáng)的邊緣學(xué)科。

現(xiàn)代天文地質(zhì)學(xué)成果已初步揭示，宇宙中的天體都有發(fā)生、發(fā)展和滅亡的共同規(guī)律，太陽(yáng)系內(nèi)的天體在物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、起源和演化歷史等方面都有一定的相似性和可類比性，地球的形成和發(fā)展與太陽(yáng)系、銀河系甚至宇宙星體都有密切聯(lián)系。宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)

天文學(xué)研究表明：觀測(cè)到的幾乎所有星系，均以極高的速度遠(yuǎn)離我們而去。而且星系或星系團(tuán)距離我們?cè)竭b遠(yuǎn)，其背離我們的運(yùn)動(dòng)速度也越大。宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)如以任意一個(gè)星系為中心，則其它星系和星系團(tuán)也同樣以極高的速度遠(yuǎn)離這個(gè)星系而去。好像每個(gè)星系都位于宇宙的中心，而宇宙則以極高的速度在膨脹。假如把星系的運(yùn)動(dòng)倒退回去，則最終所有星系必將聚集在一起。那時(shí)可能發(fā)生一次大爆炸，使所有星系互相分離。

宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)天文學(xué)家還推算出這次大爆炸的時(shí)間是距今(150±30)億年以前，即我們目前觀測(cè)到的這個(gè)宇宙誕生的時(shí)間。隕擊作用

隕石撞擊作用的簡(jiǎn)稱，指宇宙空間中的隕石高速撞擊到地面的過(guò)程中所發(fā)生的一系列作用。

圖1隕擊作用過(guò)程示意圖圖1隕擊作用過(guò)程示意圖隕擊作用當(dāng)隕石撞擊到地面時(shí)，隕石首先以強(qiáng)大的沖擊力穿插進(jìn)入地下，同時(shí)向下和周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓力，使大量物質(zhì)粉碎、加熱膨脹甚至熔融，然后把被粉碎和加熱的物質(zhì)向高空濺射，部分物質(zhì)下落回填到撞擊坑中和坑的四周。同時(shí)，隕石撞擊使四周和下部巖石發(fā)生沖擊變質(zhì)作用和破碎作用，形成角礫巖和斷裂構(gòu)造等。隕擊作用

地球演化的早期階段，由于大氣圈尚很稀薄，隕擊作用十分普遍和強(qiáng)烈。隨著大氣圈的厚度與密度逐漸增大，一般小規(guī)模的隕石在達(dá)到地表之前便在大氣層中燒毀或裂解，而且較大規(guī)模的隕石降落在經(jīng)過(guò)了大氣層的緩沖、燃燒和裂解后，到達(dá)地面時(shí)其隕擊作用也大為減弱?？傮w來(lái)說(shuō)，地球上的隕擊作用自演化早期以來(lái)具有減弱的趨勢(shì)。不同地質(zhì)時(shí)期所形成的大量隕擊坑及相關(guān)現(xiàn)象，也大多因地球表層強(qiáng)烈的地質(zhì)作用的反復(fù)破壞與改造而消失或難以辨認(rèn)。圖12.3美國(guó)亞利桑那巴林格隕石坑

隕擊作用

現(xiàn)代天體地質(zhì)研究成果揭示，在地球以外的其它太陽(yáng)系天體上，由于一般缺少大氣保護(hù)層或保護(hù)層很弱，隕擊作用是十分普遍和強(qiáng)烈的一種重要地質(zhì)作用。加之表層地質(zhì)作用相對(duì)較弱，使隕擊作用形成的地貌與構(gòu)造保存較好，并且構(gòu)成這些天體上最普遍和最重要的地形景觀；其一些大型的和最要的區(qū)域構(gòu)造單元的形成也常與大規(guī)模的隕石撞擊及其引發(fā)的內(nèi)部地質(zhì)作用有關(guān)。圖12－2火星表面的環(huán)形盆地與環(huán)形山第二節(jié)太陽(yáng)系及地球的起源一、太陽(yáng)系及地球起源的基本問(wèn)題二、太陽(yáng)系及地球起源的假說(shuō)

太陽(yáng)系的基本特征和基本事實(shí)：(1)所有行星公轉(zhuǎn)的運(yùn)行軌道都接近圓形（近圓性）；并且?guī)缀跷挥谕卉壍榔矫嫔希ü裁嫘裕?/p>

(2)幾乎全部行星都以同一方向繞日運(yùn)行，而且還各自以同一方向繞軸自轉(zhuǎn)(同向性)。(3)各行星與太陽(yáng)間的距離具有按近似于幾何級(jí)數(shù)遞增的規(guī)律。

(4)太陽(yáng)占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86％，可是角動(dòng)量只占太陽(yáng)系角動(dòng)量的1％，而99％的角動(dòng)量分配在行星、衛(wèi)星、彗星和小行星中。

(5)類地行星距太陽(yáng)近、體積小、質(zhì)量小、密度大、自轉(zhuǎn)慢、衛(wèi)星少；類木行星距太陽(yáng)遠(yuǎn)、體積大、質(zhì)量大、密度小、自轉(zhuǎn)快、衛(wèi)星多，多具星環(huán)。

(6)太陽(yáng)系內(nèi)其它天體上已知的元素,地球上都存在,即太陽(yáng)系具有組成物質(zhì)的統(tǒng)一性。行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般均可分為星殼、星幔和星核３個(gè)圈層,即內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有相似性。(7)根據(jù)月球、地球和隕石樣品中所含放射性元素的同位素年齡測(cè)定，得出了46億年的相近年齡值，推測(cè)它可能代表了行星的形成年齡,即太陽(yáng)系行星的形成年齡具有一致性?？档碌摹靶窃普f(shuō)”康德星云說(shuō)(1755)

認(rèn)為宇宙中彌漫著氣體與塵埃組成的星云，在萬(wàn)有引力作用下密度較大的微粒吸引了周圍密度較小的物質(zhì)逐漸集成大的團(tuán)塊，從而引力增大，促使聚集加快，形成巨大的球體，即原始太陽(yáng)。原始太陽(yáng)周圍的微粒繼續(xù)向引力中心豎直落下時(shí)，由于斥力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其中有一個(gè)主導(dǎo)方向，遂形成扁圓的旋轉(zhuǎn)云狀物?？档碌摹靶窃普f(shuō)”康德星云說(shuō)(1755)同時(shí)又逐漸聚集成小團(tuán)塊，在引力和斥力的共同影響下繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，形成行星。行星周圍的顆粒以同樣過(guò)程形成衛(wèi)星。太陽(yáng)是在太陽(yáng)系聚集時(shí)開始發(fā)熱發(fā)光。行星中密度較大者受到較大引力而離太陽(yáng)近，密度較小的離太陽(yáng)遠(yuǎn)?？档录僬f(shuō)的主要問(wèn)題在角動(dòng)量的分配上，而且原先不動(dòng)的原始太陽(yáng)在引力和斥力下會(huì)旋轉(zhuǎn)起來(lái)也是不可能的。拉普拉斯的“星云假說(shuō)”拉普拉斯星云說(shuō)(1796)

認(rèn)為原始太陽(yáng)是熾熱的球形星云，直徑有太陽(yáng)系直徑那么大，緩慢自轉(zhuǎn)。由于散熱收縮而自轉(zhuǎn)加速，致使赤道離心力增大，星云變扁，當(dāng)離心力超過(guò)向心力時(shí)分離出一個(gè)環(huán)，以后又相繼分離出五個(gè)環(huán)（當(dāng)時(shí)只知道六顆行星），各環(huán)繞日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)逐漸吸聚成行星。拉普拉斯的“星云假說(shuō)”拉普拉斯星云說(shuō)(1796)熱的行星以同樣方式形成衛(wèi)星?，F(xiàn)知木星、土星和天王星都有這樣的環(huán)就是證據(jù)，人們把這種環(huán)稱拉普拉斯環(huán)。這個(gè)假說(shuō)也沒有解決角動(dòng)量分配問(wèn)題。如果行星是太陽(yáng)分出來(lái)的，兩者的角動(dòng)量與質(zhì)量關(guān)系應(yīng)該一致，現(xiàn)在卻大不相同。太陽(yáng)目前的轉(zhuǎn)速太低，不能拋出環(huán)來(lái)?；粢翣?沙茲曼的“磁耦合假說(shuō)”在太陽(yáng)系形成的開始階段和拉普拉斯的星云說(shuō)有些相似。認(rèn)為太陽(yáng)系開始時(shí)是一團(tuán)凝縮的星云，但溫度并不高，轉(zhuǎn)動(dòng)并不快，轉(zhuǎn)動(dòng)速度因急劇收縮而加快，當(dāng)收縮到一定的程度，它的轉(zhuǎn)動(dòng)就達(dá)到不穩(wěn)定的狀態(tài)，兩極漸扁，赤道突出，物質(zhì)終于由此處拋出，形成一個(gè)圓盤。當(dāng)中心體與圓盤脫離后，繼續(xù)收縮，不再分裂，最后形成太陽(yáng)。圓盤內(nèi)物質(zhì)則相互凝聚成了行星。霍伊爾-沙茲曼磁藕合假說(shuō)(20世紀(jì)60年代)電磁作用解釋太陽(yáng)系角動(dòng)量分配圖

霍伊爾-沙茲曼磁藕合假說(shuō)

星際空間存在著很強(qiáng)的磁場(chǎng)，太陽(yáng)的熱核反應(yīng)發(fā)出電磁輻射，使周圍的氣體云盤成為等離子體在磁場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使太陽(yáng)的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到圓盤上。由于角動(dòng)量的增加，圓盤向外擴(kuò)展，太陽(yáng)不斷收縮。因失去了角動(dòng)量而使其自轉(zhuǎn)速度減慢。因?yàn)樘?yáng)電磁輻射作用產(chǎn)生的太陽(yáng)風(fēng)推開了輕的物質(zhì)，聚集成類木行星，較重的物質(zhì)未能推走便在太陽(yáng)附近聚集成為類地行星。宇宙大爆炸－－太陽(yáng)系－－地球形成演化過(guò)程示意圖第三節(jié)地球的演化一、地球內(nèi)部層圈的形成二、地殼的演化三、大氣圈和水圈的形成與演化四、生命的起源與生物演化

原始地球可能是增積作用形成的均質(zhì)固體，主要由硅、氧、鐵、鎂等的化合物組成，開始是冷的，由于下列原因逐漸變熱：

(1)小星體碰撞、增積轉(zhuǎn)換來(lái)的熱能這種熱源可能是地球形成初期的主要形式，小天體的沖擊、塵埃碎塊的碰撞將大量的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能。一、地球內(nèi)部層圈的形成

(2)壓縮導(dǎo)致溫度升高隨著地球體積的縮小，內(nèi)部壓力不斷增高，重力壓縮的結(jié)果使地球溫度升高。(3)放射性元素蛻變生熱地球內(nèi)部的U、Th、K等放射性元素蛻變時(shí)放出的熱量，長(zhǎng)期積累起來(lái)，造成地球升溫。

在地球形成初期，由碰撞、壓縮和放射性而產(chǎn)生的熱量使地球溫度達(dá)到1000℃或更高。地球形成的最初10億年內(nèi)，在深度400～800km范圍內(nèi)，溫度已上升達(dá)到鐵的熔點(diǎn)。由于鐵和鎳的熔點(diǎn)較硅酸鹽低，這時(shí)達(dá)到熔點(diǎn)首先熔化，形成熔融的金屬層，同時(shí)硅酸鹽開始軟化，為重力分異作用創(chuàng)造了有利條件，于是比重大的鐵、鎳形成大的熔滴向地心下沉。降落過(guò)程中將釋放出來(lái)的重力能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽沟厍虺霈F(xiàn)局部熔融狀態(tài)。鐵、鎳最后向地心集結(jié)成為地核，與此同時(shí)，硅鋁、硅鎂等較輕物質(zhì)上浮，冷卻而成為原始地殼，二者之間的鐵鎂硅酸鹽組成地幔。在長(zhǎng)期分異作用下，地核不斷加大，地核內(nèi)熱不再散失，致使外核保持液體狀態(tài)。冥古宙地殼

目前地球上最古老的巖石為加拿大的阿卡斯達(dá)片麻巖（40億年），這說(shuō)明最晚在距今40億年已經(jīng)存在由分異作用形成的地殼。冥古宙（46億～38億年）地殼特點(diǎn)是從與月球?qū)Ρ全@知的。二、地殼的演化冥古宙地殼

在月球上，46億～44億年間，熔融深度達(dá)到1000km附近，形成了巖漿海，隨著它的冷卻，形成了大約60km厚的以基性巖為主巖石圈。地球在冥古宙時(shí)比月球更強(qiáng)烈地遭受到隕石的轟擊，被巖漿海覆蓋。在巖漿海冷卻固結(jié)時(shí)，地殼以基性巖為主，經(jīng)分異在局部形成了花崗巖質(zhì)的原始地殼，并有微弱板塊活動(dòng)。太古宙地殼（38億～25億年）

在太古宙早期，地殼可能比較薄，大部分為脆弱的以基性巖為主的巖石圈層?？赡軆H在發(fā)生板塊擠壓、俯沖的地區(qū)，由于巖漿的分異作用與島弧的形成，出現(xiàn)一些孤立的以島弧形式為主的原始陸殼。隨著島弧逐漸增大，板塊俯沖作用與巖漿活動(dòng)也逐漸增強(qiáng)，使得以中、酸性為主的陸殼物質(zhì)不斷增長(zhǎng)。同時(shí)，火山島弧被風(fēng)化、剝蝕下來(lái)的碎屑物質(zhì)，經(jīng)過(guò)搬運(yùn)后沉積在島弧附近的水域，形成最早的沉積巖，并進(jìn)一步擴(kuò)大了陸殼的分布范圍。由于板塊活動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，又不斷使這些早期的火山巖、侵入巖和沉積巖發(fā)生變形、變質(zhì)和焊接。這樣，陸殼不斷增長(zhǎng)。到太古宙中、晚期，地殼上已出現(xiàn)了一些分散的、孤立的較小古陸或稱為陸核。元古宙地殼

古元古代時(shí)（25億～18億年）陸核逐漸擴(kuò)大，地殼的穩(wěn)定性得以加強(qiáng)。到古元古代末期，地殼上發(fā)生廣泛的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，一些不同規(guī)模的古陸核發(fā)生拼合，形成規(guī)模較大的古陸塊，許多大陸的雛形就是在該時(shí)期形成的。元古宙地殼

中元古代（18億～10億年），古陸塊又進(jìn)一步發(fā)展，到中元古代末期，地球上又發(fā)生一次廣泛的地殼運(yùn)動(dòng)，板塊匯聚、大陸和大陸互相碰撞，全球大陸相互聯(lián)結(jié)，形成一個(gè)或極少數(shù)量的超大陸。進(jìn)入新元古代（10億～5.7億年），超大陸逐漸分裂、解體，出現(xiàn)五個(gè)巨型的穩(wěn)定古陸。顯生宙地殼（5.7億年～今）地殼上的大陸總體上經(jīng)歷一個(gè)分裂—聚合—再分裂的歷史。

早期分裂的歷史是從新元古代延續(xù)到早古生代的。到5.1億年前后，古岡瓦納大陸相對(duì)較為完整，而北美、歐洲和亞洲大陸則相距甚遠(yuǎn)；在距今5.1億～3.8億年之間，歐洲與北美碰撞；距今3.4億～2.25億年之間(晚古生代晚期)，歐洲-北美大陸和亞洲大陸碰撞，構(gòu)成巨大的北方古陸——?jiǎng)趤喒抨?；勞亞古陸與岡瓦納古陸相連，形成泛大陸即聯(lián)合古陸，兩者之間為特提斯海；距今2億～1.8億年之間，聯(lián)合古陸又開始逐漸發(fā)生分裂，開始主要是南北方向的分裂；距今1.8億～1.35億年，南美與非洲之間也開始分裂，而特提斯海不斷閉合；0.65億年以來(lái)，澳大利亞從南極大陸分裂并向北漂移，印度與歐亞大陸碰撞形成喜馬拉雅山脈，現(xiàn)今海陸格局形成?，F(xiàn)今Q1.35億年前K／J2.25億年前P－T3.8億年前D0.65億年前E／K1.8億年前J3.4億年前D－C5.1億年前O－S圖12－16顯生宙大陸的分裂－聚合－再分裂歷史

大氣圈在地球形成的最初階段就可能存在，可能比較稀薄，主要由H、He等組成。

地球的排氣活動(dòng)（如火山活動(dòng)）使大氣圈產(chǎn)生了重要的變化，它使得大氣圈在冥古宙晚期至太古宙時(shí)以H2O（水汽）和CO2為主，其次為N2、HCl、HF、NH3、CH4、H2S。太古宙大氣中游離氧沒有或很少，末期大氣中的氧氣僅占5.5％，水中的光合植物（如藍(lán)藻、綠藻）逐漸增加，氧的生產(chǎn)量越來(lái)越多，于是較多的氧氣在元古宙進(jìn)入大氣圈。隨著有機(jī)界的發(fā)展，氧的積累又逐漸增加，元古界末期大氣中氧含量達(dá)到12％，中生代初達(dá)氧含量到18％,而CO2則由較高的含量逐漸降低到現(xiàn)在的水平。CO2減少并進(jìn)入水體中，使得元古宙－古生代形成大量的碳酸鹽巖，碳酸鹽巖沉積又可釋放出氧氣到大氣圈。三、大氣圈和水圈的形成與演化

目前最老的沉積巖年齡近40億年,說(shuō)明當(dāng)時(shí)地球上已有水的存在。地幔和地殼中有很豐富的結(jié)構(gòu)水(主要存在于礦物的晶體結(jié)構(gòu)中)，火山活動(dòng)使得H2O析出。按現(xiàn)在火山噴氣的速率計(jì)算，自地球形成以來(lái)排出的水遠(yuǎn)比現(xiàn)在水圈中的水少得多，推測(cè)在地球形成早期一定存在非常強(qiáng)烈的火山活動(dòng)。Schopf(1980)認(rèn)為地球上的大部分水在地質(zhì)歷史的早期階段便已積聚形成，距今25億年前海水的體積已頗具規(guī)模。海洋動(dòng)物群是海洋演化的見證，海洋動(dòng)物大多數(shù)綱和幾乎所有的門在早古生代就已存在，早古生代以來(lái)并未演化出新的門類。海洋動(dòng)物的古老性證明了大洋具有久遠(yuǎn)的歷史。

大氣圈和水圈的形成與發(fā)展使得地球表層動(dòng)力系統(tǒng)逐漸完善。在太陽(yáng)能的作用下，出現(xiàn)各種氣候、水文和地質(zhì)現(xiàn)象。Knaut和Epstein(1976)估計(jì)地表年均溫在太古宙約為70℃,元古宙晚期約為52℃，古生代末約為20℃，中生代約為35℃,現(xiàn)在為15℃。

生命是從無(wú)機(jī)界中產(chǎn)生的。Miller(1957)將CH4、NH3、H2等氣體混合,利用電子放電,在實(shí)驗(yàn)室中獲取了氨基酸和其它有機(jī)化合物,其中氨基酸為地球上生物的基礎(chǔ)物質(zhì)。

由無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化到有機(jī)物組成的原始生命，再由原始生命發(fā)展成細(xì)胞是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)和生物化學(xué)作用過(guò)程，要經(jīng)歷數(shù)億年的時(shí)間。生物從原核細(xì)胞發(fā)展到真核細(xì)胞則需要更長(zhǎng)的時(shí)間。在地質(zhì)歷史漫長(zhǎng)的歲月中，生物由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由低級(jí)到高級(jí)，由水生到陸生，適應(yīng)能力越來(lái)越強(qiáng)，最后形成繁盛的生物圈。四、生命的起源與生物演化

在太古宙早－中期，地球上的有機(jī)界處于萌芽狀態(tài)。太古宙晚期，海水里的生命物質(zhì)已發(fā)展成為最原始的生物，出現(xiàn)一些原始的單細(xì)胞菌藻類生物；

元古宙的藻類空前繁盛，被稱為菌藻植物時(shí)代，除了低等的藍(lán)綠藻，還出現(xiàn)了大量繁殖的褐藻、紅藻等高級(jí)藻類植物。

元古宙晚期，從古老的原生動(dòng)物中發(fā)展出低等多細(xì)胞類型的海綿