《地球、海洋与生命》讲义

宇宙诞生 150 亿年，在 100 亿年的时间里，银河系诞生了多代无数大质量的短命恒 星。在上一代恒星(超新星)爆发的基础上，为 50 亿年前太阳系形成准备了物质基础。
3
二、太阳系的形成
大约在距今 50 亿年前, 太阳系只是银河系某一旋臂边缘由气体和尘埃组成的一个 圆盘。圆盘随银河系旋转, 同时也在自转。 受离心力的影响，圆盘中的重原子尘埃被分离到边缘。圆盘中间部位 70%是气态氢 物质，30%是氦和重原子核尘埃。中间部位的质量占整个圆盘质量的 90%以上。 在引力作用下 , 圆盘中间部位的物质开始聚合 , 形成最初的原始太阳(或者叫气 球)。随着压力和温度的增加, 核聚变开始, 形成了可以稳定发光 100 亿年的太阳。
在高温下，内部的水分汽化与气体一起通过火山喷发溢出地表，飞入空中。但是由 于地心的引力，它们不会跑掉，只在地球周围，成为气水合一的圈层。从此，行星地球 开始了不同圈层之间相互作用，以及频繁发生物质 — 能量交换的演化历史。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
四、月球的形成
1. 撞击说
5
月亮形成的较晚，大约是 45.3 亿年前，一颗火星大小，质量约为地球十分之一的天 体(通常称为忒伊亚)与地球发生致命性的碰撞。这个天体的部分质量与地球结合，还有 一部分飞溅入太空中，并且有足够的物质进入轨道形成了月球。
2. 月球起源的另外几种成因说 （1）分裂说 这是最早解释月球起源的一种假设。月球本来是地球的一部分，后来由于地球转速 太快，把地球上一部分物质抛了出去，这些物质脱离地球后形成了月球，而遗留在地球 上的大坑，就是现在的太平洋。
6
（2）俘获说 这种假设认为，月球本来只是太阳系中的一颗小行星，有一次，因为运行到地球附 近， 被地球的引力所俘获， 从此再也没有离开过地球。 还有一种接近俘获说的观点认为， 地球不断把进入自己轨道的物质吸积到一起，久而久之，吸积的东西越来越多，最终形 成了月球。但也有人指出，像月球这样大的星球，地球恐怕没有那么大的力量能将它俘 获。
五、地球板块和板块运动
1. 地球的构造和组成
7
地球的结构同其他类地行星相似，是层状的，而这些层可以通过它们的化学特性和 流变学特性确定。 地球拥有一个富含硅的地壳，一个非常粘稠的地幔，一个液体的外核和一个固体的 内核。 地壳是地球固体地表构造的最外圈层，占地球总体积的 1%。整个地壳平均厚度约 17 公里，其中大陆地壳厚度较大，平均约为 33 公里。大洋地壳则远比大陆地壳薄，厚 度只有几公里。 地壳主要由石英(硅氧化物)和类长石的其他硅酸盐构成。 上层以氧、 硅、 铝为主，称为“硅铝层” ；下层富含硅和镁，称为“硅镁层” 。 地壳下面是地球的中间层，叫做“地幔” ，厚度约 2865 公里，主要由致密的造岩物 质构成，这是地球内部体积最大、质量最大的一层，占地球总体积的 83%。 地幔又可分成上地幔和下地幔两层。上地幔大多由铁/镁硅酸盐、钙、铝构成；下地 幔可能由硅、镁、氧和一些铁、钙、铝构成。 地核是地球的核心部分，主要由铁、镍元素组成，半径为 3480 公里。地核又分为 外地核和内地核两部分。地核占地球总体积的 16%。地核可能大多由铁构成(或镍/铁)， 虽然也有可能是一些较轻的物质。地核中心的温度可能高达 7500K，比太阳表面还热。 就整体看，地球的化学元素组成为： 37.6% 铁（56） 29.5% 氧（16） 15.2% 硅（28） 12.7% 镁（24） 2.4% 镍（59） 1.9% 硫（32） 0.05% 钛（48） 3.65% 其他元素
（3）同源说 这一假设认为，地球和月球都是太阳系中浮动的星云，经过旋转和吸积，同时形成 星体。在吸积过程中，地球比月球相应要快一点，成为“哥哥” 。这一假设也受到了客 观存在的挑战。通过对月球岩石样本分析，发现月球要比地球古老得多。有人认为，月 球年龄至少应在 53 亿年左右。
（4）核爆炸说 2010 年初，南非和荷兰的两位科学家又提出了一种新的理论和解释。他们认为，月 球并非是由于太空撞击或太空爆炸所造成的， 而是由于地球自身的一次核爆炸而从地球 分离出去的。
4
一边绕太阳旋转，一边自转。在运动过程中，互相碰撞，有些团块彼此结合，由小变大。 通过吸积的过程，地球经过 1 至 2 千万年的时间，大致上已经完全成形，逐渐成为原始 的地球。 星云团块碰撞过程中，在引力作用下急剧收缩，加之内部放射性元素蜕变，使原始 地球不断受到加热增温； 当内部温度达到足够高时， 地内的物质包括铁、 镍等开始熔化。 在重力作用下，重的下沉并趋向地心集中，形成铁镍地核；轻者上浮，形成地壳和地幔。
8
即太平洋板块、欧亚板块、印度洋板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块。其中除太 平洋板块几乎全为海洋外，其余五个板块既包括大陆又包括海洋。细分全球有八个主要 板块。此外还有至少二十个小板块。
3. 板块运动 环太平洋板块边界的板块活动最为活跃,故此地震作用和火山作用也最为频密。 引起 板块运动的机制是未解决的难题。一般认为板块运动的驱动力来自地球内部，可能是地 幔中的物质对流。新生的洋壳不断离开洋中脊向两侧扩张，在海沟处大部分洋壳变冷而 致密，沿板块俯冲带潜没于地幔之中。
根据板块学说，大洋也有生有灭，它可以从无到有，从小到大；也可以从大到小， 从小到无。大洋的发展可分为胚胎期(如东非大裂谷)、幼年期(如红海和亚丁湾)、成年 期(如目前的大西洋)、衰退期(如太平洋)与终了期(如地中海)。
10
4. 板块运动的作用 板块运动对地球的影响是深刻的, 它改变了整个地球的地形, 让一些地方高耸入云, 让另一些地方深不见底。板块运动还导致了地球物质的循环。例如, 植物消耗大气中的 二氧化碳, 利用光合作用产生氧气, 动物以植物为食。二氧化碳还加强了地球大气的温 室效应, 把地球变成了一个温暖的行星。 其实, 大气中所含的二氧化碳或者溶解在海水中, 或者以碳酸钙的形式固定在地球 的岩石中。岩石受到雨水的冲刷后, 一部分物质进入海洋, 沉积在海底。这部分沉积岩 会随着板块运动, 在海沟位置插入地球内部, 最终再通过火山喷发, 变成气体返回到大 气中。除了二氧化碳外, 地球上还有一些物质以这种方式在地球的表面和内部之间循 环。 但是, 假如板块运动停止了, 地球会变成什么样呢？没有了板块运动, 地球上的火 山活动、地震以及造山运动几乎不会发生。这样, 地球原本凹凸不平的地形会因为上亿 年的风吹雨打, 变成没有任何起伏的大平原。地球表面环境的雷同使生物界发生根本性 的变化, 不再会有高山物种存在, 也不会有深海生物繁衍, 只有平原上的生物, 以及一 些适应浅水环境的生物生活在地球上。最终地球将完全被海洋所覆盖，地球上将只有海 洋生物。不论在地球的什么地方, 物种都是千篇一律的组合。多样性的丧失令生物界变 得很乏味。 地球上的气候也将发生根本改变。没有二氧化碳通过火山口喷出, 大气中的二氧化 碳依然会以碳酸钙的形式固化, 导致温室效应减弱, 地球将变得越来越寒冷。 还有更危险的事情发生。根据现在地球磁场产生的理论, 如果没有了地幔对流, 地 球磁场也将不再存在。这样, 原本被地球磁场屏蔽的宇宙射线将穿透大气层, 到达地球 表面, 引起生物界的灾难, 最终导致生物大灭绝。 板块运动是否有可能停止呢? 地球内部的热量主要来自两个方面, 一个是地球形成 时的残余热量, 另一个是地球内部放射性元素衰变的热量。 地核的热量缓慢地向外传导, 穿过地幔和地壳, 令地球维持目前的温度。 显然, 地核正在慢慢冷却, 只是这个过程比较 漫长。 地球内部的放射性元素来自它形成时积聚的尘埃元素, 因此元素的量也是有限的。 当放射性元素消耗殆尽时, 这个地下热源就没有了。 因此 , 随着地核的逐渐冷却 , 以及放射性元素衰变殆尽 , 地球的内部将逐渐冷却 , 驱动地幔产生对流的热源将不再存在, 那么地幔对流也就停止了。没有了地幔对流, 地 表的板块缺少动力来源, 也就停止了运动。 如果在地球寿终正寝之前板块运动就将停止,
2. 板块 板块是板块构造学说所提出来的概念。板块构造学说认为，岩石圈并非整体一块， 而是分裂成许多块，这些大块岩石称为板块。地球岩石圈层被洋中脊、海沟、转换断层 等构造活动带分割形成的不连续板状岩石圈块体，各自在热地幔上漂浮。 1968 年法国地质学家勒皮雄根据各方面的资料，首先将全球岩石圈分为六大板块，
有时还会出现另一种情况：当两个坚硬的板块发生碰撞时，接触部分的岩层还没来 得及发生弯曲变形，其中有一个板块已经深深地插入另一个板块的底部。由于碰撞的力 量很大，插入部位很深，以至把原来板块上的老岩层一直带到高温地幔中，最后被熔化 了。而在板块向地壳深处插入的部位，即形成了很深的海沟。西太平洋海底的一些大海 沟就是这样形成的。
2
恒星内部的聚变按照如下温度条件和顺序进行：一千万度时，氢聚变为氦，聚变过 程需要进行几十亿到几百亿年。 反应逐渐停止后恒星开始收缩， 使温度上升， 一亿度时， 氦聚变为碳，聚变过程需要几百到几千万年，此后碳聚变为氮，氮聚变为氧……，直到 聚变为硅(28)，到 20 亿度时，硅开始聚变，并引发成百上千种核反应，最终聚变为铁。 凡是释放核能的核反应都有质量亏损。核子组成不同的原子核时，平均每个核子的 质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同。铁原子核中核子的平均质 量最小，所以铁是所有元素中最稳定的，它若转化为其它元素就必须要吸热。如在超新 星爆炸过程中，才有足够的能量使铁原子发生聚变。 超新星内的铁原子在超新星核心中受到巨大的压力，内部原子紧紧压在一起，一些 恒星在耗尽自身后由于内部压力而爆开， 此时的高温高压使铁获得了足够的能量以进行 聚变， 形成了更重的元素。 其外壳物质以巨大的速度抛向太空。 宇宙中不再是单一的氢、 氦气云物质, 增加了许多重原子核的宇宙尘埃。
太阳主要由氢构成，在万有引力的作用下产生收缩效应，使太阳中心区域的平均密 度高达 150 吨/立方米，温度达 1500 万℃，足以满足氢核聚变为氦核的条件。
太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦 而包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于 2%
三、地球的形成
在太阳系气云尘埃盘中部物质形成太阳的同时, 圆盘周边的物质也开始聚合, 它们
随着软流层的运动，各个板块也会发生相应的水平运动。据地质学家估计，大板块 每年可以移动 1-6 厘米。 这个速度虽然很小，但经过亿万年后，地球的海陆面貌就会发生巨大的变化：当两
9
个板块逐渐分离时，在分离处即可出现新的凹地和海洋；大西洋和东非大裂谷就是在两 块大板块发生分离时形成的。 当两个大板块相互靠拢并发生碰撞时，就会在碰撞合拢的地方挤压出高大险峻的山 脉。位于我国西南边疆的喜马拉雅山，就是三千多万年前由南面的印度洋板块和北面的 亚欧板块发生碰撞挤压形成的。
地球、海洋与生命
（内部学习参考资料，请勿外传，谢谢！）
本课程以观看相关题材的科教纪录片为主要教学方式，形象地介绍了地球、海洋与 生命的起源和演化过程，以及它们之间的相互依存关系。
前
言
地球是上亿种生物的家园， 包括人类。 地球是人类所知宇宙中唯一存在生命的天体。 地球诞生于 45 亿年前，而生命诞生于地球诞生后的 10 亿年内的海洋中。 地球上的生命是在地球温度逐步下降以后，在极其漫长的时间内，由非生命物质经 过极其复杂的化学过程，一步一步地演变而成的。 从生命诞生以后，地球的生物圈改变了大气层和其他环境，使得需要氧气的生物得 以诞生，也使得臭氧层形成。 臭氧层与地球的磁场一起阻挡了来自太阳和宇宙的有害射线，保护了离开海洋登上 陆地的生物。 地球的物理特性及其地质历史和轨道，使得地球上的生命能周期性地持续。地球预 计将在 15 亿年内继续拥有生命，直到太阳不断增加亮度灭绝地球上的生物圈。
1
第一章 地球的起源
一、宇宙大爆炸与物质来源
宇宙诞生之初, 即在“大爆炸”的早期, 只有两种物质: 氢和氦。 早期的宇宙物质呈无数个旋转气云团分布, 其中一个气云团是银河系。旋转的气云 从团状演变成带旋臂的盘状, 就是今天银河系的形状。旋臂的产生使盘状物质的密度产 生了差异。在物质密度较大的地方产生了第一代大质量(相当于太阳十倍以上)的恒星, 开始了元素的聚变过程。 恒星中的氢(氕 1、氘 2、氚 3)聚变为氦(4), 氦聚变为碳(12), 碳原子聚合为镁 (24)、钠(23)、氖(20)和氧(16)等, 氧原子聚变生成硫(32)和磷(31)等。核聚变过程中 氘(2)与碳的核聚变形成了氮(14)。元素越来越重，一直到聚变成铁(56)，由于行星内 部能量已经无法让铁进一步聚变，所以一般行星都是铁核的。