中国地质大学 地球科学概论 教学课程PPT part7

灾变事件的滞后现象
首先，以一次巨大的陨击作用作为诱发
因素，引起全球电磁场剧变和地磁极的 翻转；陨石撞击岩石圈表层引起大爆炸， 粉尘升到大气圈上部，遮蔽了太阳幅射 能，造成全球气温骤降；或可引起海平 面的剧烈变化，发生海啸； 陨击作用后几年到数万年的时间内，大 气与海洋环境的巨大变化，不能适应环 境的生物大量灭绝。
大陆地壳的形成和增长
陆壳的主要增生时期为30～18亿年即新太古—
古元古代时期，现在所知的大陆地壳基本上都 是该时期形成的。 在18亿年以前的时期，由于地球内部的热活动 一直比较强烈，物质在垂直方向(地球半径方 向)上的分异、对流、迁移等作用都相当剧烈。 在18亿年以后，地球内部变冷，岩石可塑性变 小，使上地幔的顶部层位和地壳合成一个统一 的岩石圈，其刚性程度加大，出现了岩石圈板 块。
地球的形成
根据球粒陨石 1）
年代测定，地球的形成 和加大吸积的时期，推测主要发生在 45.2～44.8亿年前。 地球总质量的绝大部分 (6×1027 g) 都是 该时期吸积的。后来的40亿年内，地球 质量只增加1025 g，相当于地球总质量的 1/600 。 也 就 是 说 地 球 平 均 每 年 要 接 受 2.5×1016 g (即250亿吨)的陨石物质。
其放射性幅射能约比现代大10倍； 地球吸积(陨石撞击)和圈层分异作用也可 产生热量，使物质分异与迁移，比重较 大的铁镍物质大量聚集到地心附近，到 43亿年前，就基本上形成地核(约相当于 现代地核的3/4)。
早期的地球—地幔、地壳
地幔也基本上一直保持固体状态。下地
幔成分相对均一，而上地幔存在着横向 与纵向上化学成分的不均一性，说明上、 下地幔并没有经历过全部的熔融分异、 以达到平衡的演化过程。 而在地球表部，火山密布，同时还有相 当数量的陨石撞击，在40亿年前逐渐形 成了原始的大陆，使晶体结构较松散的 铝硅酸盐在地表聚集，造成了大陆地壳。
地球各圈层演变的机制
全球各层圈的相互作用与运动变化等机
制是什么？ – 仅仅是地球内部各层圈自身演化在起 作用? – 还是各种地外因素在起诱发作用? 对于这个问题，目前的认识是很不一致 的。
地球各圈层演变的机制
地球本身的热力、重力等动力作用因素，
主要是使地球趋向均衡，它们对于保持 各种作用的稳定变化起着主导的作用； 而活跃期的出现，灾变事件的发生，则 似乎主要是靠地外事件的诱发。 整个地球系统的演化是地球内部各种作 用自身演化与地外各种天文因素共同影 响的结果。
黄赤道交角变化
地球轨道偏心率
地球演化的周期性
140
- 180 年 –九星地心准会聚周期；固体潮，地震， 火山作用等。 60 年 –四大行星力距效应,地球公转半径变化； 厄尔尼诺；“天干地支”；固体潮， 地震，火山，核-幔耦合作用等。
地球演化的周期性
29.8
年 –地球自转速率变化,极移；内核振动周 期。 11 年 –太阳黑子活动,地球自转速率变化；厄 尔尼诺； 磁暴；地震活动短周期。
早期的地球—状态
刚诞生的地球表面是裸露固体岩石，没
有大气层、没有土地，也没有海洋，地 表陨石坑密布，火山到处喷发。 由于地球质量巨大，内部温度、压力相 当高，可发生全球性部分熔融，使原始 成分相当于球粒陨石的地球发生圈层化 的重力分异作用。
早期的地球—地核
当时地球内部热量比现代大得多，估计
壳、大气圈、水圈与生物圈，都是在相互作用 下，不断地由简单到复杂、由低级到高级的演 化发展，并按照各自的规律(自组织性)、不可 逆地、前进式的演化。 耗散结构论和协同论指出，自然界非平衡的约 束与非线性动力学机制同时作用于开放的耗散 系统，使系统自发地由简单趋于复杂，由无序 走向有序。
六、均变与灾变
七、各种时间尺度的周期性变化
地球各圈层的运动变化的时间尺度与天
文周期： – 280±25百万年，33±3百万年； – 9.5万年，4.1万年，2.17万年； – 1000~1400年，140~180年，60年，29.8 年，11年，1年； – 13.1~14.76天，1天等。
地球演化的周期性
地球的演化：
– –
不是匀速、线性地发展的，而是进行 着变速的演化； 表现为相对均匀变化与突变（灾变） 交错相间的特征。
均变论
18世纪末叶到19世纪初叶，地质学的奠
基人，郝顿(Hutton, J., 1726～1797)和莱 伊尔(Lyell,C., 1797～1875)认为： – 许多大变化是由一系列微小的变动逐 渐积累而形成的。这就是他们的“均 变论”的主要观点。
大气圈的形成
与此同时，由于岩浆活动所排出的气体
(CO2 与H2O为主，含少量N2)可能形成初 步的大气圈，形成与金星、火星相似的 大气圈。 大气压力相当于现代的300倍，温度可达 230℃左右，以后逐渐降温，气体中冷凝 下来的水(富含Cl、SO4 离子)，就可覆盖 在几乎整个地球表面。
水的形成
1998年Zahnle认为地球上水主要由富含
冰(固体的H2O)的慧星撞击地球所致。 关于水的起源，留下的证据不足，也许 两种成因──岩浆排气与慧星撞击可能都 同时存在。 一般认为85%的大气圈与水圈(海洋)是在 44亿年前形成的。
水的形成
地球演化的不可逆性
总之，宇宙中地球的各圈层—地核、地幔、地
280+25
Ma –银河年,特大陨击,太阳系引力场变化； “代”，板块运动，岩浆活动等。 33+3 Ma –太阳系穿越银道面,巨大陨击作用； “纪”，板块运动，岩浆活动等。
地球演化的周期性
2.17、4.1、9.5
万年 –近日点进动,黄赤道交角变化,地球轨 道偏心率变化；冰期和间冰期、沉积 韵律等。 1000 - 1400 年 –九星地心会聚长周期；固体潮，地震， 火山作用等。
灾变论
以居维叶(Cuvier,G.,
1769～1832)为代表 的“灾变论”，则认为： – 生物演化过程中，“没有一种缓慢进 行的原因能产生突然的效果”，“所 以地球上的生命进程曾多次被可怕事 件所打断”，“地球表面曾经历过相 继的革命及各种灾变”。
稳定期
是一种非平衡的相对静态，演化呈现为
–
活跃期
突变期或灾变期，呈现为极不平衡的无
序状态。 常表现为发生异常气象，大气温度剧变， 气候带迁移，海平面大幅度升降，生物 种群灭绝，地磁极翻转； 地层中出现沉积间断，地层间呈现出角 度不整合接触关系；
活跃期
地球内部热能大量释放，岩浆活动与各
种变质作用剧烈； 岩石圈内构造应力猛烈释放，岩石发生 强烈变形，构造应力的定向性明显，差 应力值较大，板块升降幅度与水平位移 量都较大。 常发生大规模的陨击事件，各天体对地 球的引力作用常出现某种的异常变化。
地球演化的周期性
1
年 –地球公转一周；日幅射周年变；生长 季节变化；固体潮。 13.1- 14.76 天 –月球半月潮；大气超长波变；半月潮； 固体潮，余震。
地球演化的周期性
1
天
半日潮； 生
–地球自转一周；日幅射；
物钟；固体潮。
第十一章 新地球观 —地球系统科学
一、地球是一个系统 二、地球动力系统 三、开放的地球系统 四、圈层间的强相互作用 五、不可逆的进化 六、均变与灾变 七、各种时间尺度的周期性变化
一、地球是一个系统
地球系统科学—新的地球观
系统，学科众多，相互交叉 从整体论（Holຫໍສະໝຸດ Baidusm）角度研究 从宇宙体系角度来全面认识行星地 球： – 将地球作为一个行星
太阳系的起源
太阳周围的固体与气体物质，经过约
5000万年快速旋转和冷凝，以固体颗粒 (小园球状的星子)为中心，通过反复随机 碰撞吸积、增大质量，逐渐形成太阳系 的9大行星。
太阳系的起源
以气体为主的类木行星
(如木星、土星以 及土星的卫星等) 在温度较低的太阳系外 圈先行形成。 在太阳系的内圈、温度较高，则形成以 重元素为主的固体行星——类地行星(约 晚2000～3000万年)。
–
二、地球动力系统
地球上所有物质都在不断地运动
地球上不同物质的运动都有其独特的动
力学机制 它们均受到地球内部和外部因素的影响 – 地球内部：重力场、自转、温度、压 力等 – 地球外部：行星、太阳系、银河系等
三、开放的地球系统
地球从宇宙中接受质量和能量
星子吸积，陨石 – 太阳辐射能，陨击 地球系统不断地耗散能量 – 热量散失 – 转动惯性能消耗，自转减慢 地球是开放系统 – 将地球作为宇宙巨系统中的一份子
由低级到高级、简单到复杂演变；
时间的不对称和单向性；
生物演化不可逆性。
五、不可逆的进化
地球：
地球是如何演化的？
整个地球（包括无机界）是否也
是从简单到复杂、低级到高级的 不可逆演变？
宇宙的起源
宇宙起源于150亿年前的宇宙大爆炸，形
成了众多的星系和恒星; 此后，轻重不同的100余种元素不断地通 过氢和氦热核反应而逐渐形成。 在45.5亿年前一次很偶然的超新星爆炸冲 击波的影响下，使由星际冷的固体尘埃 和气体所组成的原始太阳星云运动速度 加大，密度增大，发生凝聚而形成太阳 以及围绕它旋转的星云物质。
–
四、圈层间的强相互作用
地球系统的复杂性：子系统
地球各圈层的强相互作用
– –
–
耦合与解耦作用 相邻两圈层之间强相互作用 壳-幔、核-幔、水圈-岩石圈、岩石圈-大 气圈 不相邻圈层之间相互作用 磁场-内外核、放气、温度-地幔、地震 厄尔尼诺、拉尼娜-地幔放气、排热
五、不可逆的进化
生物界：
灾变事件及滞后现象
如果陨击在海洋岩石圈(其厚度仅数十km)
上，将诱发深部地幔物质上涌，促使海 洋板块扩张，进而推动大陆板块运移； 在大陆板块边缘，从受到影响并进而引 发构造变形和岩浆活动，其时间要晚些； 由于构造应力的传递，板块边缘的构造 变形将产生较长期的、不相等的滞后现 象，一般几万年延续到上千万年。
相对有序的特征。 这种时期表现为： – 大气圈的年平均温度基本稳定，气候 带的划分基本固定，海平面变化幅度 较小，生物稳定地繁衍、复苏或发育； – 地磁极变化幅度较小；
稳定期
地层内表现为连续沉积、地层之间呈 现为整合的接触关系； –地热能稳定积累，热活动微弱；岩浆 活动稀少和微弱；以埋藏变质为主； –构造应力逐渐积累与调整，主应力方 向不明显，差应力值小；板块稳定升 降，水平位移量较于；岩石变形微弱； –陨击微弱，各天体处于相对稳定。