地球科学概论第十二章-地球的起源与演化

第十二章地球的起源与演化第一节天文地质第二节太阳系及地球的起源第三节地球的演化

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。

第一节天文地质

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、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。

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。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。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。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。

(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。康德的“星云说”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。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。拉普拉斯的“星云假说”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”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。霍伊尔/沙兹曼的“磁耦合假说”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。霍伊尔-沙兹曼磁藕合假说(20世纪60年代)电磁作用解释太阳系角动量分配图

霍伊尔-沙兹曼磁藕合假说

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。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

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。一、地球内部层圈的形成

(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400～800km范围内，温度已上升达到铁的熔点。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。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。二、地壳的演化冥古宙地壳

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60km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。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。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。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Q1.35亿年前K／J2.25亿年前P－T3.8亿年前D0.65亿年前E／K1.8亿年前J3.4亿年前D－C5.1亿年前O－S图12－16显生宙大陆的分裂－聚合－再分裂历史

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。三、大气圈和水圈的形成与演化

目前最老的沉积岩年龄近40亿年,说明当时地球上已有水的存在。地幔和地壳中有很丰富的结构水(主要存在于矿物的晶体结构中)，火山活动使得H2O析出。按现在火山喷气的速率计算，自地球形成以来排出的水远比现在水圈中的水少得多，推测在地球形成早期一定存在非常强烈的火山活动。Schopf(1980)认为地球上的大部分水在地质历史的早期阶段便已积聚形成，距今25亿年前海水的体积已颇具规模。海洋动物群是海洋演化的见证，海洋动物大多数纲和几乎所有的门在早古生代就已存在，早古生代以来并未演化出新的门类。海洋动物的古老性证明了大洋具有久远的历史。

大气圈和水圈的形成与发展使得地球表层动力系统逐渐完善。在太阳能的作用下，出现各种气候、水文和地质现象。Knaut和Epstein(1976)估计地表年均温在太古宙约为70℃,元古宙晚期约为52℃，古生代末约为20℃，中生代约为35℃,现在为15℃。

生命是从无机界中产生的。Miller(1957)将CH4、NH3、H2等气体混合,利用电子放电,在实验室中获取了氨基酸和其它有机化合物,其中氨基酸为地球上生物的基础物质。

由无机物转化到有机物组成的原始生命，再由原始生命发展成细胞是一个复杂的物理化学和生物化学作用过程，要经历数亿年的时间。生物从原核细胞发展到真核细胞则需要更长的时间。在地质历史漫长的岁月中，生物由简单到复杂，由低级到高级，由水生到陆生，适应能力越来越强，最后形成繁盛的生物圈。四、生命的起源与生物演化

在太古宙早－中期，地球上的有机界处于萌芽状态。太古宙晚期，海水里的生命物质已发展成为最原始的生物，出现一些原始的单细胞菌藻类生物；

元古宙的藻类空前繁盛，被称为菌藻植物时代，除了低等的蓝绿藻，还出现了大量繁殖的褐藻、红藻等高级藻类植物。

元古宙晚期，从古老的原生动物中发展出低等多细胞类型的海绵