地球系统科学

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
• 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。
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”。
地球系统科学
• 地球系统科学是以全球性、统一性的 整体观、系统观和多时空尺度，来研 究地球系统的整体行为使得人类能更 好地认识自身赖以生存的环境，更有 效地防止和控制可能突发的灾害对人 类所造成的损害。
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地球动力系统 开放的地球系统 地球圈层间的强相互作用 不可逆的进化 均变与灾变 各种时间尺度的周期性变化
开放的地球系统 • 地球与宇宙进行着广泛的物质交换。 （星子吸积, 陨击、） • 地球与宇宙之间进行着能量交换。 （太阳辐射能，宇宙射线） • 地球的形成与演化是在开放体系中 进行的。（地球是宇宙巨系统中的一份
子）
地球圈层间的强相互作用
• 地球是由具有强相互作用（非线性作用） 的单元（子系统）组成的复杂系统。 • 地球各圈层的强相互作用
均变与灾变
• 地球的演化是在均变与灾变的交替中发展 的。表现为稳定期与活跃期的更迭。 • 稳定期（均变期）：地球演化表现为相对 平稳、有序的特征。大气圈、水圈、生物 圈、岩石圈的变化相对平静。 • 活跃期（灾变期）：地球演化表现为突变 或灾变，呈现极为不平衡的无序状态。气 候剧变、海平面上升、生物大量灭绝，地 磁翻转，构造运动、岩浆作用、变质作用 强烈
宇宙中地球的各圈层—地核、地幔、地壳、 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。
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， 水平位移量较小；岩石变形微弱； –陨击作用微弱，各天体处于相对稳定。
活跃期
• 地层中出现沉积间断，地层间呈现出角度不整合接 触关系 • 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。 • 气候剧变、海平面上升、生物大量灭绝，地磁翻转， 构造运动、岩浆作用、变质作用强烈
大陆地壳的形成和增长
• 地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。
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。
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：
地球自转一周；日幅射； 半日潮； 生物 钟；固体潮。
• 地球内部层 圈的耦合与 解耦作用。 • 耦合是指两 系统通过相 互作用，彼 此影响甚至 联合的现象。 • 解耦是指两 体系解除耦 合关系后， 各系统自成 体系的现象。
早期的地球—地幔
• 地幔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。
– 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、岩石 圈放气、温度 - 地幔（地震、厄尔尼诺、拉尼 娜 、地幔放气、排热）
不可逆的进化
生物界： • 由低级到高级、简单到复杂演变 • 随时间演化的不对称性和单向性 • 生物演化不可逆性
Hale Waihona Puke Baidu
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 • 地球以30千米/秒的速度绕太阳公转，公转 时间为一年。 • 地球的大气圈、水圈、生物圈在不停的运 动，形成了地球表层的外动力地质作用。 • 岩石圈（地壳）、地幔、地核进行着物质 与能量的交换，形成了复杂的内动力地质 作用过程
各种时间尺度的周期性变化
• 60 年 四大行星力距效应,地球公转半径变化； “天干地支”；固体潮，地震，火山，核幔耦合作用等 • 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。
• 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。 • 1 天