第16章地球的起源及其演化

第十六章太阳系的基本构成与地球的起源及其演化

地球在宇宙中的位置太阳系和地球起源的各种假说地球的圈层构造的形成过程大陆的起源及其发展第一节地球在宇宙中的位置地球的起源是一个天文学、地质学、物理学、宗教、哲学都需要回答的问题。——《圣经·创世纪》一、地球在宇宙中的位置宇宙的构成宇宙——星系——恒星银河系（恒星+星云+星际物质）——正面呈旋涡形，侧面呈扁饼形。河外星系银河系太阳可能被银河系旋臂抛离出诞生地银河系中心黑洞环绕银河系的三个恒星流宇宙大爆炸示意图二、太阳系（solarsystem)太阳系是以太阳为中心，由围绕太阳旋转的行星-卫星系、小行星、彗星、以及陨星、星际物质、太阳辐射线和宇宙射线构成的星体系统。太阳系家族成员冥王星的性质归属2006-08-24日国际天文学联合会大会通过决议，将地位备受争议的冥王星“开除”出太阳系行星行列，太阳系行星数目也因此降为8颗。

从此，冥王星这个游走在太阳系边缘的天体将只能与其他一些差不多大的“兄弟姐妹”一道被称为“矮行星”。水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星太阳系行星运行轨道示意图1、太阳直径（diameter）——139.2x104km,为地球直径的109倍。体积为地球体积的130万倍，质量（mass）——1.989X1030

kg，为地球质量的33.3万倍，密度为地球密度的1/4。太阳的化学组成：H——71%，He——26.5%,O-C-N-Ne——2%，Mg-Ni-Si-S-Fe-Ca——0.4%,其它0.1%。太阳大气中的元素共有73种。太阳温度（temperature）——表层6000℃（5800K），内核2-3x107℃（15,600,000K）。太阳的结构（1）日冕层（corona）,（2）色球层（chromosphere）（3）光球层（photosphere）——太阳最外面的稀薄大气层，呈银色。日冕连续不断地向四外膨胀，产生带电离子的流体——太阳风（solarwind）。(1)日冕层（2）色球层（chromosphere("sphereofcolor")）——日冕层内炽热的稀薄的气层，呈鲜红色，厚度3000-5000km。在日全食时可以看到呈玫瑰色。日珥是在太阳的色球层上产生的一种非常强烈的太阳活动，是太阳活动的标志之一。在日全食时，太阳的周围镶着一个红色的环圈，上面跳动着鲜红的火舌，这就是日珥。（3）光球层色球层内部，光彩夺目的太阳表面，又称日面，厚度200-1000km，太阳的光和热主要从这一层辐射出来。光球上有亮斑和黑子两部分。亮斑（solarflares）——光球中上升的热气的顶部，直径为1000km。黑子（Sunspot）——是成群的黑色斑点，它是光球上的旋涡，温度比日面温度低1000℃，与周围的物质相比，看起来较黑暗。其直径大小不同，且经常改变大小和位置。黑子有很强的磁性，可以引起地球上的极光和磁暴现象。对于太阳的内部特征，目前了解的还很少。太阳的能量来源可能是核反应。太阳黑子耀斑主序星——核反应产生的巨大的辐射能使恒星内部压力增强到足以和引力相抗衡，恒星进入一个相对稳定的时期，这个时期的恒星称为主序星。红巨星——恒星步入老年期时，它将首先变为一颗红巨星。体积膨胀，颜色为红色。表面温度相对很低，但极为明亮。白矮星(WhiteDwarf)——是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。白矮星是一种晚期的恒星。暗矮星——是恒星末期超新星爆发以后，达不到形成黑洞的质量留下的冷核。表面温度下降，停止发光发热。巨星——是在天文中指光度比一般恒星(主序星)大而比超巨星小的恒星。超巨星(supergiant)——光度、体积比巨星大而密度较小的恒星。它们是光度最强的恒星。传统定义：行星是沿着椭圆形轨道绕太阳旋转的天体。一般由固体物质构成。有些行星还有自己的卫星。他们本身不能发光，但可以反射太阳光。新的定义：“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、并且能够清除其轨道附近其它物体的天体。2、行星（planet)按照新的定义，太阳系行星包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，它们都是在1900年以前被发现的。

“矮行星”——体积介于行星和小行星之间，围绕太阳运转，质量足以克服固体应力以达到流体静力平衡（近于圆球）形状，没有清空所在轨道上的其他天体，同时不是卫星。冥王星是一颗矮行星。其它围绕太阳运转但不符合上述条件的物体被统称为“太阳系小天体”。（1）行星的物质组成各行星的物质组成没有根本的差别，可以认为各行星的物质组成具有统一性。行星分为两大类：类地行星——固体物质以硅酸盐矿物和岩石为主。类木行星——其液态和固态物质的成分尚不清楚。气体为H2和NH3。（2）行星的大气层水星（Mercury)——有稀薄的大气层。目前还没有发现水星大气中有H2O。金星(Venus)——与地球一样有复杂的大气层。主要是CO2,，金星的表层被一层云雾状大气所遮蔽。目前，还不太清楚金星的真实形状。火星（Mars)——有稀薄大气，成分为CO2、N、

Ar、H2O、O3。木星(Jupiter)——有大气层，成分为H2、He2、

NH3、CH4、H2O。其它类木行星的大气与木星相似。火星这是一幅描绘的美国的“凤凰号”火星着陆探测器着陆火星的景象。关于行星大气的来源有两种观点：A.行星形成时，捕获太阳星云中的气体，因而行星大气层中的气体具有太阳星云原始的气体成分。B.行星内部的物质熔融，经过气化过程，而被行星捕获保留下来。一般认为，地球和类地行星的气体是次生的，而类木行星的气体是原生的。环形坑——直径从几米到几百公里，外形呈圆形，周围环绕有高峻的山脊。中心为盆地。

（3）行星的表面特征A.水星——表面有环形坑、盆地、平原、和延伸几百公里的悬崖峭壁。B.金星——表面被浓密的大气所覆盖，固体形状不明。C.火星——表面地形较复杂，有古老的高地、环形坑、山脉、经改造的平原和波状起伏的地形。D.木星——是一个流体状的行星，没有固态的表面。环形坑较少。表面有与赤道平行的暗红色或浓绿色的亮带和暗带。可能与木星的自转有关。E.土星——表面有非常美的光环。由外向内分为A、B、C

三个环。各环之间有较窄的缝隙。卫星是围绕行星运转而自己不发光的天体。地球——一颗卫星——月球。火星——两颗卫星；木星——16颗卫星；土星——23颗；天王星——五颗；海王星——2颗；水星和金星没有卫星。3、卫星（satellite）地球的卫星——月球（1）月球的表面特征月球表面没有水，大气也极稀薄。月球上没有生命，没有天气现象，是一片十分寂静的世界。月球表面有强烈的起伏。“月陆”——月球表面明亮的区域；“月海”——月球表面的暗区。“湖”、“湾”、“溪谷”。环形坑——直径大于一公里的有30万个。与陨石撞击有关。断裂构造——月面上有延伸数百公里的直线形深大断裂，弧形断裂。月沟——是月球表面上一种窄而长的沟壑或山谷。呈直线形、弓形等。可能与地球上的正断层形成的地堑相似。月球波纹——位于月球表面，这种皱纹的脊是一种长而狭窄的背斜构造。嫦娥一号发回的第一张月球图片月球表面的一个陨石坑其直径大约在30公里左右。它位于月球的背面，那里比我们通常所看到的月球正面更加粗糙。这张照片是阿波罗11号飞船在1969年绕月飞行时所拍摄的。NASA公布的月球表面图嫦娥一号拍摄的月球全图从月球上看地球（2）月球的岩石成分玄武质火成岩、斜长石质火成岩、玻璃质物质、表皮土、以及角砾岩。月球高地具有斜长岩的组分，月海具有玄武岩组分。月球表面被月壤层所覆盖。（3）月球的内部构造月球具有与地球类似的圈层构造。月球所经历的地质作用主要是陨石撞击、火山作用。火山作用可以形成熔岩平原、月海盆地。撞击形成环形山。碎裂物质堆积在月球表面形成月壤沉积层。月球上没有大气层和地表水，因此，其表面形态起伏较大，缺乏外力地质作用的改造。月球岩石——气孔玄武岩阿波罗带回的月球岩石4、小行星、彗星、陨星（1）小行星（asteroid)位于火星和木星之间，环绕太阳公转。1801年1月1日发现第一颗小行星。目前已发现2000多颗，推测有几万颗。小行星的直径，小的仅几百米，大多在60-70km以下。

小行星，顾名思义，它们的体积都很小。最早发现的“谷神星”（Ceres1)、“智神星”(Pallas2)、“婚神星”(Juno3)和“灶神星”(Vesta4)是小行星中最大的四颗，被称为“四大金刚”。谷神星（1Ceres）谷神星（1Ceres）是人们最早发现的小行星，由意大利人皮亚齐于1801年1月1日发现。其平均直径为952公里，等于月球直径的1/4，质量约为月球的1/50，又被称为1号小行星。是小行星带中最大最重的天体。智神星（2Pallas）智神星（2Pallas）是第二颗被发现的小行星，由德国天文学家奥伯斯于1802年3月28日发现。其平均直径为520千米。

该天体以希腊神话中海神波赛冬的孙女PallasAthena（即雅典娜的别称）来命名。婚神星婚神星也称3号小行星，是1804年9月1日德国天文学家卡尔·哈丁发现的。古罗马神话中，婚神星是助产女神，职能是引导新娘到新家、使婴儿见到光明。在这个小行星上，还有两座叫“贾宝玉”和“林黛玉”的环形山。婚神星小行星里面体积第四大，直径240公里。灶神星又称第4号小行星，是德国天文学家奥伯斯于1807年3月29日发现的。奥伯斯原是一位医学教授，于1802年3月28日的夜间发现第二号小行星智神星（Pallas）,5年之后又在他发现第2号小行星的天区室女座西北部发现了灶神星。他给第4号小行星取名为Vesta，是古代意大利的管理炉灶和火种的女神，相当于希腊神话中的赫斯提亚，是炊事人员、磨坊工人、面包师的保护神。又有一说它是源自于古代罗马神话，取名为“灶神”，它是负责寺庙里面和古罗马家庭里面的厨房的火种不灭的神。（2）彗星（comet)是以扁的椭圆形、或抛物线形轨道，围绕太阳旋转的一类星体。形似扫帚，又名“扫帚星”。有彗头和彗尾两部分组成。彗星公转周期较长。故太阳系的彗星很难同时出现，现已发现有600多颗，平均每年可新发现6颗。哈雷彗星的周期为76年。从鲁文公14年，到1910年共出现过29次，每次在中国史书上均有记载。彗星池谷—张彗星

2002年2月1日约18时至19时15分，日本业余天文学家池谷熏和中国天文爱好者张大庆共同发现的一颗新彗星。《史记秦始皇本纪》七年，彗星先出东方，见北方，五月见西方。将军骜死。以攻龙、孤、庆都，还兵攻汲。彗星复见西方十六日。夏太后死。九年，彗星见，或竟天。彗星见西方，又见北方，从斗以南八十日。《后汉书天文志》（汉明帝永平）三年六月丁卯，彗星出天船北，长二尺所，稍北行至亢南。见三十五日去。天船为水，彗出之为大水。是岁伊、雒水溢，到津城门，坏伊桥；郡七、县三十二皆大水。流星现象——弥漫在宇宙空间的星际尘埃，在接近地球时，如被地球的引力俘获并吸向地球，便形成陨星。当陨星进入到地球的大气层时，因磨擦生热发光，在晴朗的夜空或白昼，可以看到一线亮光划空而过，这就是流星现象。陨石——大多数陨星因磨擦生热而汽化，但仍有少数未能烧尽而落到地面，这就是陨石。（3）陨星（meteorite)我国史书中的陨石记录（鲁僖公）十有六年春王正月戊申朔，陨石于宋五。——春秋汉武帝征和四年春二月丁酉，陨石于雍，二，声闻四百里。——汉书天禧三年正月晦，沈丘县民骆新田闻震，顷之，陨石入地七尺许。淳熙十六年三月壬寅，陨石于楚州宝应县，散如火，甚臭腥。——宋史元顺帝十年春正月甲戌，陨石棣州，色黑，中微有金星；先有声自西北来，至州北二十里乃陨。——元史陨石大小变化——通灵宝玉。唐天复十年庚午夏，洪州陨石于越王山下昭仙观前，有声如雷，光彩五色，阔十丈。袁吉江洪四州之界，皆见光闻声。观前五色烟雾，经月而散。有石长七八尺，围三丈余，清碧如玉，堕于地上。节度使刘威命舁入昭仙观内，设斋祈谢。七日之内，石稍小，长三尺。又斋数日，石长尺余。今只有七八寸，留在观内。

(出《录异记》)昨友俞御医桥早朝，偶尔星陨身侧，铿然有声，在地尚响，视如朱砂小石，惜人哄观而不及取也。——《七修类稿》明·郎瑛陨石的成分分类：石陨石——由硅酸盐矿物组成，接近于玄武岩。占陨石种类的92%。铁陨石——由铁、镍构成，密度为8-8.5/cm3

。占陨石的6%。石铁陨石——为铁、镍和硅酸盐的混合物。约占陨石的2%。玻璃陨石世界上最大的石陨石吉林1号陨石，重1,770公斤。1976年3月8日殒落。1976年3月8日下午，中国吉林市北郊降落了一次世界上罕见的陨石雨：陨落的巨石穿透冻土层，砸出一个深6.5米、直径2米多的坑。这块陨石重1770千克，是至今世界上最大的石陨石，连同收集到的其它陨石，总重量达2吨以上。世界上最大的陨石之一，重340吨？纽约历史自然博物馆之

宇宙天体厅中国最大的铁陨石是在新疆展览馆展出的大铁陨石。该陨石长242厘米、宽185厘米、高137厘米，体积3.5立方米，重约30吨，居世界第三。中国第一大铁陨石？2011年7月17日拍摄的陨石近照。新华社发（史志强摄）新华网乌鲁木齐７月２１日电（周生斌隋凯）在新疆阿勒泰市克兰大峡谷深处，隐藏着一块神秘的巨石。近日经北京天文馆陨石专家张宝林验证，这块巨石系罕见的巨型铁陨石，估算重量在２５吨以上。

这块巨大的铁陨石露出地面的部分长２．２米，高１．２５米，宽１．２米。据张宝林介绍，陨铁下部埋在土里，无法测量，肉眼估计重量在２５吨以上，有可能超过３０吨，而中国现有的第一大铁陨石重量是３０吨，因此这块陨铁有望成为中国第一大铁陨石。1920年在纳米比亚一农场上发现的荷巴陨石(HobaMeteorite)，是目前找到的最重铁陨石，它的重量接近66吨，它现在是一个著名旅游景点。这块大陨石长2.95米，宽2.84米，厚度在1.22米和0.75米之间，重约66吨，安卧在一座类似古希腊剧场的环形阶梯式看台正中。荷巴陨石自坠地以来一直默默无闻地在土中埋了几万年。据称是3万至8万多年前降落在地球上。世界上最大的铁陨石——荷巴陨石(HobaMeteorite)

陨石坑陨石坑科学家在埃及发现世界上最大的陨石坑区由法国和埃及科学家组成的科研小组借助卫星拍摄的照片在埃及发现了世界上最大的陨石坑区。该陨石坑区位于埃及和利比亚边境地区，科学家们在那里发现了100多个陨石坠落所留下的痕迹。他们发现的这些痕迹是5000万年前的一场陨星雨所留下的。当时这场陨星雨的覆盖面积达5000平方公里，它所遗留下来的陨石坑直径从20米至1000米不等，钳入地面以下的陨石位于地下80米处。

2013年2月15日上午9点22分俄罗斯车里雅宾斯克，陨石自天而降，划破天空，坠入冰冻的切巴尔库尔湖中形成冰窟窿。第二节地球的起源一、太阳系的基本事实1、所有行星都以同一方向围绕太阳公转，其公转轨道都近似地处在太阳的赤道平面（黄道）上。轨道面与黄道面夹角小于7°，而所有行星围绕太阳都是逆时针方向（自西向东）运动。2、多数行星在围绕太阳运转的同时，还绕自己的轴进行自转（？金星、天王星除外）。3、除水星、金星外，其它行星都有卫星。但卫星的数目不等。卫星绕自己的行星旋转，其方向与行星公转的方向一致。4、各行星彼此之间的间隔，随着他们离太阳的距离而依次增大。5、角动量分配不均一。在太阳系内，太阳质量占太阳系总质量的99.87%，其角动量只占太阳系的角动量的2%，而行星占总质量的0.13%,却占有总角动量的98%。二、太阳系及地球起源的各种假说星云说——灾变说——俘获说1、星云说——认为太阳系是由同一个星云物质形成的，并把这个形成太阳系的星云称为原始星云。代表人物——康德-拉普拉斯中国的戴文赛2、灾变说——该假说认为在行星和卫星形成之前，太阳就形成了，后来被另一个恒星的吸引而拉出或被撞击而撞出大量物质，由这些物质形成行星和卫星。代表人物——施密特3、俘获说——这种学说也认为太阳先于行星和卫星形成，后来，太阳俘获了银河系的星际物质，由这些星际物质形成了行星和卫星。第三节地球的演化一、地球内部圈层的形成（一）地球内部的热源对于地球的热能问题，目前有两种截然相反的观点：一种认为原始地球是冷的，在聚集过程中才产生热。另一种观点认为，原始地球是热的，并在逐渐变冷。1、放射性元素蜕变生热2、小行星碰撞引起的热能3、压缩导致温度升高（二）地球内部各圈层的形成一般认为，地球形成初期，其成分是相当均一的。地球的圈层构造是密度分异作用而形成的。40亿年前，地表以下400-800公里处的温度达到2000℃，组成地球物质中的铁镍金属首先发生熔融，而其余的铁镁硅酸盐成分则发生转化。最后，铁镍物质在地心聚集形成地核。铁镁硅酸盐上浮形成地幔。地幔的表层，由于散热及挥发物质的逃逸很快冷却，形成厚度相对较薄，刚性较大的硬壳，这就是地壳的胚胎。后来，再受到从地幔中分离出来的物质继续作用，便逐渐演变成为地壳。二、地球外部大气层和水圈的形成（一）大气圈的形成和演变1、原始大气圈——与原始星云中的气体成分大致相当，主要是H、He和其它惰性气体。2、第二代大气——与现代火山喷发的气体差不多，主要是CO2、H2O、NH3、CH4、Cl2。

O2含量较少。3、现代大气——由地球上植物的影响而形成。6亿年前，绿色植物在海洋中占优势，4亿年前，绿色植物在陆地上出现。绿色植物在光合作用中，吸收CO2，放出游离的氧。NH3转变为N2和H2O。现代大气中的主要成分是N2、O2。（二）水圈的形成在地球发展的初期阶段，地球上的水是以岩石中的结晶水的形式存在于地球内部。火山作用将地内的水汽喷发