地球科学概论第十二章 地球的起源与演化

康德的“星云说”
拉普拉斯星云说(1796)
认为原始太 阳是炽热的球形星云，直径有太阳系直径那么 大，缓慢自转。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，以后又相继分离出五 个环（当时只知道六颗行星），各环绕日运转 时逐渐吸聚成行星。
拉普拉斯的 “星云假说”
霍伊尔-沙兹曼磁藕合假说
电磁作用解释 太阳系角动量 分配图
宇宙大爆炸－ －太阳系－－ 地球形成演化 过程示意图
第三节
地球的演化
一、地球内部层圈的形成 二、地壳的演化 三、大气圈和水圈的形成与演化 四、生命的起源与生物演化
一、地球内部层圈的形成
原始地球可能是增积作用形成的均质固体 ，主要由硅、氧、铁、镁等的化合物组成，开 始是冷的，由于下列原因逐渐变热： (1)小星体碰撞、增积转换来的热能 这种热 源可能是地球形成初期的主要形式，小天体的冲 击、尘埃碎块的碰撞将大量的动能转换为热能。
、起源和演化历史，并应用这些研究成果探
讨和解释地球上的各种地质现象的成因和演
化规律的学科。
是一门内容广、综合性强的边缘学科。
现代天文地质学成果已初步揭示，宇 宙中的天体都有发生、发展和灭亡的共 同规律，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 密切联系。
宇宙大爆炸学说 天文学家还推算出这次大爆炸的时间是距今 (150±30)亿年以前，即我们目前观测到的这个 宇宙诞生的时间。
陨击作用
陨石撞击作 用的简称，指宇 宙空间中的陨石 高速撞击到地面 的过程中所发生 的一系列作用。
图 1 陨 击 作 用 过 程 示 意 图
陨击作用
当陨石撞击到地面时， 陨石首先以强大的冲击力穿 插进入地下，同时向下和周 围产生强烈挤压力，使大量 物质粉碎、加热膨胀甚至熔 融，然后把被粉碎和加热的 物质向高空溅射，部分物质 下落回填到撞击坑中和坑的 四周。同时，陨石撞击使四 周和下部岩石发生冲击变质 作用和破碎作用，形成角砾 岩和断裂构造等。
康德的“星云说”
康德星云说(1755) 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。行星中密度较大者受到较大引力 而离太阳近，密度较小的离太阳远。 康德假说的主要问题在角动量的分配上，而且原 先不动的原始太阳在引力和斥力下会旋转起来也是不 可能的。
由于铁和镍的熔点较硅酸盐低，这时达到熔点首先熔 化，形成熔融的金属层，同时硅酸盐开始软化，为重 力分异作用创造了有利条件，于是比重大的铁、镍形 成大的熔滴向地心下沉。降落过程中将释放出来的重 力能转变为热能，使地球出现局部熔融状态。
铁、镍最后向地心集结成为地核，与此同时，硅铝 、硅镁等较轻物质上浮，冷却而成为原始地壳，二 者之间的铁镁硅酸盐组成地幔。在长期分异作用下 ，地核不断加大，地核内热不再散失，致使外核保 持液体状态。
太古宙地壳（38亿～25亿年）
在太古宙早期 ，地壳可能比较薄，大部分为脆弱的以基性岩为主的 岩石圈层。可能仅在发生板块挤压、俯冲的地区，由 于岩浆的分异作用与岛弧的形成，出现一些孤立的以 岛弧形式为主的原始陆壳。 随着岛弧逐渐增大，板块俯冲作用与岩浆活动也逐 渐增强，使得以中、酸性为主的陆壳物质不断增长。 同时，火山岛弧被风化、剥蚀下来的碎屑物质， 经过搬运后沉积在岛弧附近的水域，形成最早的沉积 岩，并进一步扩大了陆壳的分布范围。 由于板块活动和构造运动，又不断使这些早期的 火山岩、侵入岩和沉积岩发生变形、变质和焊接。这 样，陆壳不断增长。到太古宙中、晚期，地壳上已出 现了一些分散的、孤立的较小古陆或称为陆核。
图12－2 火星表面的环形盆地与环形山
第二节
太阳系及地球的起源
一、太阳系及地球起源的基本问题 二、太阳系及地球起源的假说
太阳系的基本特征和基本事实： (1)所有行星公转的运行轨道都接近圆形（ 近圆性）；并且几乎位于同一轨道平面上（共 面性）。 (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)。 (3)各行星与太阳间的距离具有按近似于 几何级数递增的规律。 (4)太阳占太阳系总质量的99.86％，可是 角动量只占太阳系角动量的1％，而99％的角动 量分配在行星、卫星、彗星和小行星中。
元古宙地壳
古元古代时（25亿～ 18亿年）陆核逐渐扩 大，地壳的稳定性得 以加强。到古元古代 末期，地壳上发生广 泛的构造运动，一些 不同规模的古陆核发 生拼合，形成规模较 大的古陆块，许多大 陆的雏形就是在该时 期形成的。
元古宙地壳
中元古 代（18亿～10亿年），古 陆块又进一步发展，到中 元古代末期，地球上又发 生一次广泛的地壳运动， 板块汇聚、大陆和大陆互 相碰撞，全球大陆相互联 结，形成一个或极少数量 的超大陆。进入新元古代 （10亿～5.7亿年），超大 陆逐渐分裂、解体，出现 五个巨型的稳定古陆。
康德星云说(1755)
认为宇宙中弥漫着 气体与尘埃组成的星云，在万有引力作用下密度较大 的微粒吸引了周围密度较小的物质逐渐集成大的团块 ，从而引力增大，促使聚集加快，形成巨大的球体， 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，由于斥力而发生偏转，其中有一个主导方 向，遂形成扁圆的旋转云状物。
二、地壳的演化
冥古宙地壳 目前地球上最古老的岩石为加拿大
的阿卡斯达片麻岩（40亿年），这说明最晚在距 今40亿年已经存在由分异作用形成的地壳。冥古 宙（46亿～38亿年）地壳特点是从与月球对比获 知的。
冥古宙地壳
在月球上，46亿～44亿年间，熔 融深度达到1000km附近，形成了岩浆海，随着它 的冷却，形成了大约60 km厚的以基性岩为主岩石 圈。地球在冥古宙时比月球更强烈地遭受到陨石 的轰击，被岩浆海覆盖。在岩浆海冷却固结时， 地壳以基性岩为主，经分异在局部形成了花岗岩 质的原始地壳，并有微弱板块活动。
拉普拉斯星云说(1796) 热的行星以同样
方式形成卫星。现知木星、土星和天王星都有 这样的环就是证据，人们把这种环称拉普拉斯 环。这个假说也没有解决角动量分配问题。如 果行星是太阳分出来的，两者的角动量与质量 关系应该一致，现在却大不相同。太阳目前的 转速太低，不能抛出环来。
拉普拉斯的 “星云假说”
第十Biblioteka Baidu章
第一节 第二节
地球的起源与演化
天文地质 太阳系及地球的起源
第三节
地球的演化
第一节
天文地质
地球在形成、发展、演化中并非
孤立进行，而是受到宇宙因素影响
。地球岩石和地层记录中保存着许 多天文过程的信息，这些均体现了
地球和宇宙的统一关系。
天文地质学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
(2)压缩导致温度升高 随着地球体积的 缩小，内部压力不断增高，重力压缩的结果使 地球温度升高。 (3)放射性元素蜕变生热 地球内部的U 、Th、K等放射性元素蜕变时放出的热量，长 期积累起来，造成地球升温。
在地球形成初期，由碰撞、压缩和放射性而产生 的热量使地球温度达到1000℃或更高。地球形成的最 初10亿年内，在深度400～800 km范围内，温度已上 升达到铁的熔点。
图12.3 美国亚利桑那巴林格陨石坑
陨击作用
现代天体地质研究成果揭示，在地球以 外的其它太阳系天体上，由于一般缺少大气 保护层或保护层很弱，陨击作用是十分普遍 和强烈的一种重要地质作用。加之表层地质 作用相对较弱，使陨击作用形成的地貌与构 造保存较好，并且构成这些天体上最普遍和 最重要的地形景观；其一些大型的和最要的 区域构造单元的形成也常与大规模的陨石撞 击及其引发的内部地质作用有关。
霍 伊 尔 / 沙 兹 曼 的 “ 磁 耦 合 假 说”
星际空间存在着很 强的磁场，太阳的热核反应发出电磁辐射，使周围的气体 云盘成为等离子体在磁场内转动，从而使太阳的角动量转 移到圆盘上。由于角动量的增加，圆盘向外扩展，太阳不 断收缩。因失去了角动量而使其自转速度减慢。因为太阳 电磁辐射作用产生的太阳风推开了轻的物质，聚集成类木 行星，较重的物质未能推走便在太阳附近聚集成为类地行 星。
(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,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 相近年龄值，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。
显生宙地壳（5.7亿年～今）
地壳上的大陆 总体上经历一个分裂—聚合—再分裂的历史。 早期分裂的历史是从新元古代延续到早古生代的。 到5.1亿年前后，古冈瓦纳大陆相对较为完整，而北美 、欧洲和亚洲大陆则相距甚远； 在距今5.1亿～3.8亿年之间，欧洲与北美碰撞；距 今3.4亿～2.25亿年之间(晚古生代晚期)，欧洲-北美大 陆和亚洲大陆碰撞，构成巨大的北方古陆——劳亚古陆； 劳亚古陆与冈瓦纳古陆相连，形成泛大陆即联合古 陆，两者之间为特提斯海；距今2亿～1.8亿年之间，联 合古陆又开始逐渐发生分裂，开始主要是南北方向的分 裂；距今1.8亿～1.35亿年，南美与非洲之间也开始分 裂，而特提斯海不断闭合；0.65亿年以来，澳大利亚从 南极大陆分裂并向北漂移，印度与欧亚大陆碰撞形成喜 马拉雅山脉，现今海陆格局形成。
现今 Q
0.65亿年前 E／K
图 12 － 16 显 生 宙 大 陆 的 分 裂 － 聚 合 － 再 分 裂 历 史
1.35亿年前 K／ J
1.8亿年前 J
2.25亿年前 P－T
3.4亿年前 D－C
3.8亿年前 D
5.1亿年前 O－ S
三、大气圈和水圈的形成与演化
大气圈在地球形成的最初阶段就可能存在，可能 比较稀薄，主要由H、He等组成。 地球的排气活动（如火山活动）使大气圈产生了 重要的变化，它使得大气圈在冥古宙晚期至太古宙时 以H2O（水汽）和CO2为主，其次为N2、HCl、HF、NH3、 CH4、H2S。太古宙大气中游离氧没有或很少，末期大 气中的氧气仅占5.5％，水中的光合植物（如蓝藻、绿 藻）逐渐增加，氧的生产量越来越多，于是较多的氧 气在元古宙进入大气圈。 随着有机界的发展，氧的积累又逐渐增加，元古界 末期大气中氧含量达到12％，中生代初达氧含量到18 ％,而CO2则由较高的含量逐渐降低到现在的水平。CO2 减少并进入水体中，使得元古宙－古生代形成大量的 碳酸盐岩，碳酸盐岩沉积又可释放出氧气到大气圈。
宇宙大爆炸学说 天文学研究表明：观测到的几乎所有星系， 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。
宇宙大爆炸学说 如以任意一个星系为中心，则其它星系和星系团 也同样以极高的速度远离这个星系而去。好像每 个星系都位于宇宙的中心，而宇宙则以极高的速 度在膨胀。假如把星系的运动倒退回去，则最终 所有星系必将聚集在一起。那时可能发生一次大 爆炸，使所有星系互相分离。
图 1 陨 击 作 用 过 程 示 意 图
陨击作用
地球演化的早期阶段，由于大气圈尚很稀薄 ，陨击作用十分普遍和强烈。 随着大气圈的厚度与密度逐渐增大，一般 小规模的陨石在达到地表之前便在大气层中烧毁 或裂解，而且较大规模的陨石降落在经过了大气 层的缓冲、燃烧和裂解后，到达地面时其陨击作 用也大为减弱。 总体来说，地球上的陨击作用自演化早期以 来具有减弱的趋势。不同地质时期所形成的大量 陨击坑及相关现象，也大多因地球表层强烈的地 质作用的反复破坏与改造而消失或难以辨认。
霍伊尔-沙兹曼磁藕合假说(20世纪60年代)
在太阳系形成的开始阶段和 拉普拉斯的星云说有些相似 。认为太阳系开始时是一团 凝缩的星云，但温度并不高 ，转动并不快，转动速度因 急剧收缩而加快，当收缩到 一定的程度，它的转动就达 到不稳定的状态，两极渐扁 ，赤道突出，物质终于由此 处抛出，形成一个圆盘。当 中心体与圆盘脱离后，继续 收缩，不再分裂，最后形成 太阳。圆盘内物质则相互凝 聚成了行星。