地球的核辐射场与年龄.ppt

地球的核辐射场与年龄,第一节 地球的起源,地球在太空中不停地旋转，神秘莫测。有许多问题要人类去探索。 其中之一就是地球有多大了？回答这个问题涉及到地球的起源以及演化。 地球的起源、形成和演化在地球科学，乃致整个自然科学领域里都是一个基本的理论问题。 地球起源离不开整个太阳系形成。进一步太阳系的形成离不开对整个宇宙的认识。 太阳系是由太阳、九大行星(其中很多都具有庞大的卫星系统)、小行星及陨星之类的无数较小天体、一个大的慧星族、以及在太阳系主要成员之间分布的宇宙尘和气体组成的。,一、混沌初开宇宙始于大爆炸,世界是怎样开始的，我们的地球以及整个太阳系是从哪里来的?这是哲学家解释世界所不可回避的问题。 “混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊者下凝为地。”中国古代的圣贤作出了这样的回答。他们设想，混沌无形的元气是天地的本源。我们赞成宇宙是无边无际，无始无终的哲学观点，但作为自然科学研究的具体对象，宇宙是一个有限的客观存在。这样一个宇宙，应该有它的开端。宇宙是怎样开端的呢?,宇宙正在膨胀,渺渺茫茫，从何说起。最初只能有臆想出来的神话。作为科学中的假说，总得有一定的事实为基础，并能得到科学理论的支持。20世纪初，天文学家斯里弗尔(VMSlipher，18751969)在观测银河系外的仙女座大星云时，取得了15个星系的光谱资料，经过研究，发现其中13个正在以数十万米每秒的高速退行，即离开我们愈来愈远。1929年，哈勃(EPHubble，1889-1953)根据前人和他自己观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的速度和它与我们(地球)的距离成正比，即离得愈远退行愈快。这个发现告诉我们，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们已知的宇宙正在膨胀。,哈勃所在的工作单位，设在美国加利福尼亚州威尔逊山上的天文台，拥有当时世界上最大的天文望远镜，这使他有可能观测到100万光年那样远的地方，在银河系外原来分辨不出星体的云块中，看出了星系的存在，并取得了资料。在哈勃还未发表他的研究结果之前，就有人根据爱因斯坦(A.Einstien，18791955)在1916年提出的广义相对论，演绎出宇宙在膨胀的理论。哈勃的发现被认为是对这些理论的验证。以后的天文观测继续有新的发现，证明宇宙在膨胀。曾测到有的银河外星系之间，正以2 500 000千米每小时的速度在拉开距离。,宇宙为什么会膨胀呢?会不会是爆炸的产物呢?,比利时天文学家勒梅特 (G.E. Lematre，1894-1966)在1927年就想到了。他设想组成现在这个宇宙的全部物质， 当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密，温度约为1032K(绝对温度1亿亿亿亿度)。显然这只能维持极其短暂的平衡，一旦平衡破坏，就发生大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙。这本名为BIG BANG)的书，在中国译为“大爆炸”的宇宙起源假说，可谓神来之笔。后来勒梅特自己也不敢相信，不久就放弃了。,但是哈勃的发现确实使入受到鼓舞，不断有人去继续研究。现在我们知道，宇宙形成的过程大致是：大爆炸后1秒钟，温度降到1018K，粒子间的强相互作用、弱相互作用、电磁力和引力开始分开。在高温下处于基本粒子状态的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子，约在大爆炸后50 -100万年，首先由电子和质子合成氢原子，接着是氦原子也大量生成了，随后其他所有元素的原子从轻到重依次聚合而成；大爆炸后100万年到20亿年才逐步形成各类天体星系。太阳系的出现，已是大爆炸发生约100亿年之后的事了。,怎么证明？,大爆炸的发生，距离现在约150亿年了。怎么能证明150亿年前发生过这样的爆炸呢?按照大爆炸宇宙模型的理论，爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到40000K以下时才开始形成的，现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿年，符合这个理论的推断。,特别是盖莫夫(GGamow，1904-1968)作出的预言：在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今还存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温度几度。1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望远镜，在各个方向都测得一种3K的微波背景辐射。大爆炸理论得到了有力的支持。 发现者彭兹亚斯(AAPenzias，1933)和威尔逊(RWWilson，1936-)为此得到了1978年的诺贝尔物理学奖。,还有一个证据是，现在测得的不同天体上氦的丰度，即它在天体中的含量，一般都达到20左右，仅靠太阳上那种氢合成氦的作用，在150亿年左右的时间里是不能造出这么多氦的，而大爆炸能做到。 因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实。天文观测中已多次记录到超新星爆炸，另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都可以作为佐证。,宇宙起源于大爆炸的场面是令人惊叹和着迷的，这种假说已为越来越多的人所接受。 然而，也许有关这个大胆设想的证据永远都难以充分，不过它给我们带来的问题，确实值得好好地研究。,二、太阳系的起源,太阳系起源理论 太阳系起源理论可分成两种主要类型：一种认为起源是逐渐演化的结果；另一种则把起源归因于某种激变的作用，通常假定在遥远的过去太阳与恒星相遇。,1星云说 2碰撞说 3电磁说 4尘埃云说 5积成说 。,星云说,1755年，哲学家康德的“宇宙发展史概论”中假定：构成太阳系的星际的物质，在太初时都分散为基本粒子，充满整个的宇宙空间。在万有引力的作用下，这些原始的弥漫物质逐渐分别凝聚，形成太阳系内各天体。 原始太阳星云为自大星际云瓦解出的一块小云。它的温度不高，有一定的初始角动量和自转，在自吸引作用下收缩，中心部分形成太阳，外部扁化为星云盘。星云盘中含有气体、尘埃和冰的固体颗粒，主要由这些固态物质集聚成行星和卫星。,康德-拉普拉斯星云说,拉普拉斯从数学和力学的角度阐述，他设想太阳系本是一团旋转着的炽热的气体，由于冷却收缩，越转越快，离心力也随着加大，特别是在云团的赤道一带最大因而形状变得扁平如圆盘；当旋转速度快到一定程度，这个圆盘外缘的惯性离心力大于引力时，就会有一部分物质被分离出来，成为继续围绕中心运转的圆环，如今天在土星所见。,康德-拉普拉斯星云说,这些圆环一次又一次地被分离出来，并分别凝聚结成行星；行星周围的卫星也有着类似的形成 过程；星云中心部分则收缩成为太阳。 拉普拉斯用力学的原理，解释当时已认知的六大行星的轨道为什么都近于圆形并在同一近似的平面上，和它们的自转公转的方向为什么一致等问题，都比较合理、清晰，很有吸引入的魅力。 在19世纪，康德-拉普拉斯星云说风靡一时。,角动量的矛盾,但是，在太阳系中仍有许多问题，星云说不能解决。特别是1884年傅切(AFouche)提出，按照物理定律和康德，拉普拉斯星云说，太阳和行星的单位质量的角动量，应该是一样的，但实际上相差近100倍。康德拉普拉斯星云说未能解决这个矛盾，从而失去了一度占主导地位的优势，出现了众说纷纭的局面。,康德和拉普拉斯都是仅在力学上去解释，而在太阳系中不仅有引力的作用：还存在其他多种物理作用。在康德、拉普拉斯那个年代，人们不知道太阳的热来自氢合成氦的热按聚变。,电磁场的作用,角动量问题 (角动量是转动的一种量度，它大致等于质量、速度和轨道半径的乘积)。在太阳系里，太阳的质量约为行星总质量的750倍，占全系统的99以上，但它的角动量却只有全系统的2。行星的质量虽小，但角动量却很大。以单位质量所具有的角动量而言，这种分布是极不平均的。通过一种什么作用，才能导致这样一个转动系统?如果行星和太阳是同源，就必须找出一个使角动量重新分布的物理过程。最能使角动量转移的物理过程，即为磁场对于带电粒子的作用。,该假说的要点是：假定太阳系开始是一团凝缩收缩的低温星云，转动速度因急剧收缩而加快。当这团星云的半径收缩到一定程度时，由于流体力学的作用，使转动达到失稳状态，两极渐扁，赤道凸起，并发展成一个尖锐的边缘。星云物质从此边缘向外抛出，形成一个圆盘(圆盘质量只有太阳的1)。,中心体与圆盘脱离后，前者继续收缩，形成太阳，后者质量不再增加，聚成行星。当它们脱离时由于星际空间存在磁场，太阳与圆盘的内缘产生一种电磁流体力学的作用而导致一种磁致力矩。通过这个力矩，太阳对圆盘作功，从而将太阳的角动量转移到圆盘上。圆盘因角动量增加而向外扩张，但太阳因为继续收缩和角动量减小，可使它的角速度变化不大，故解释了太阳转得慢的问题。为了保证上述过程的进行，太阳与圆盘分离时的磁场强度只需03T，但要求圆盘内缘有千万分之一的原子处于电离状态。当圆盘冷却时，不易挥发的物质先凝聚成固体。这些固体在气体带动下，在圆盘扩展过程中，直径小的固体却被气体推向前去，而直径大的固体被抛在后面，从而各自形成内行星和外行星。,目前尚不能给出一个统一的起源学说，但在行星轨道的稳定性、地球的年龄、地质的演化、地球的化学组成、陨石坑与撞击、角动量的分布与形成的物理进程等方面确有共识。 地球与其他行星(或许不包括冥王星)具有众多的共同特点和特征，说明它们具有共同的起源。在讨论太阳系的起源时，可以把必须加以考虑的突出的共同的特征进行分析。,三、 地球的诞生,“天，积气也；无处无气。地，积块(土)也；充塞四虚，无处无块。”(列子天瑞)。这是两千多年前的中国学者列御寇告诉我们的：天是气的集合，地是土的集合。不能不惊叹中国古代贤哲的卓识，人们能看到的蓝天或其他颜色的天，都是大气散射或折射阳光的结果，这个天确实是气的集合；而我们脚下的大地，也确实是“土”的集合。,星际物质,20世纪30年代末，天文观测证实，在银河系中，有许多气体和尘埃存在。这些气体主要是氢和氦。尘埃里主要是水、甲烷和氨等液体气体冻结而成的固体微粒；还有少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体材料。气体在这些星际物质中，按质量计要占到98左右，固体物质不及2，其颗粒细微，半径只有00001厘米左右。微粒的数量并不少，它们弥漫在整个太空中，在太阳系中也不例外。太阳系中的星际物质，一般都认为是形成太阳系原始星云的残余。它们的化学成分和整个太阳系的化学成分相当，即氢最多，氦其次，然后依次是氧、碳、氮、氖、硅、铁、硫等元素。,地球与其他行星具有的特点和特征,1四大共同特点 (1)所有行星都围绕着太阳旋转且其运行轨道都接近圆形 。这便与沿高度偏心的椭圆形轨道运转有所不同(普雷斯等，1986)。太阳系内行星的轨道，实际上都位于大约与太阳的赤道面成60倾斜的同一平面上。所有的行星都以同一方向围绕太阳运转，而且在同一方向上围绕其各自的轴旋转，太阳的赤道面接近于轨道面。天王星则例外，它的赤道面大约呈980倾斜，而金星的旋转是反向。,(2)行星到太阳的距离形成一个级数，其中，行星之间的间距随着它们到太阳的距离的增大，而非常近似于几何级数的速度增大。这种关系是博德(Bode，1772)发现的，它预示在火星与木星之间还存在着另一个行星。30年以后，果然发现了这个带，不过这个带所包含的已不是一个行星，而是称为小行星的一群碎片，它们很可能是一个或几个行星碎裂后的残渣，这表明行星距离的分布是规则的。,(3)在火星与木星之间的博德间隔，把行星分为两组，即内行星或类地行星(水星、金星、地球和火星)，体积都较小，而密度较大，并接近太阳。它们在自转轴上转动速度较慢，几乎没有卫星。类木行星(木星、土星、天王星、海王星)都是体积大、密度低、且距离太阳较远的行星，它们在其自转轴上转动速度较快，且具有许多卫星。最远的冥王星似乎与此况不同，它可能以前是其他行星的一个卫星。它们可能与地球一样，即其他类地行星可能也贫于气体元素，但是类木行星则较富于气体，特别是甲烷、氨，还可能有氢。,(4)尽管太阳占整个太阳系全部质量的99，但它却只提供出2的角动量，而行星的角动量却占98左右。 根据对地球岩石、月岩和由星际空间落在地球上的陨石进行化学分折，推断类地木行星大部分(90)是由铁、氧、硅、和镁四种元素组成的，对太阳的光谱研究表明：它几乎(99)是由氢和氧组成，据推测，高丰度的氢和氧是类木行星的特点。,大多数天文学家常将一个恒星的演化作这样的描述：在星际空间有大量气体和尘埃在运动，而且作用于气体和尘埃的各种不同力都处于稳定平衡之中。为此，设想这种体系的原始力是：由质点间万有引力引起的力和。由旋转引起的离心力。因为空间物质分布是不均匀的，依据空间物质分布的普遍不均匀性原理 (Tatsch，1977)，在某个阶段，平衡体系总要变为不平衡或被打破平衡。为此，就依次发生了凝聚作用，使气体和尘埃聚集到质量体系的中心。这就是多数人一致认为的一个恒星是如何产生的论点。,地球的化学组成特征,但是在地球这里，氢和氦的含量都很少，而是铁占了第一位，其次是氧和硅，还有很多镁、镍和铝等金属元素。地球的化学组成为何如此不同?这个问题得在它的形成过程中去寻找原因。 拉普拉斯设想太阳系是由炽热的气体冷凝而成的，星云物质冷却收缩的过程就是地球形成的过程，但是天文探测和地质研究的结果都不支持这种假设。形成太阳系的星云不是炽热的，而是冷的气体和尘埃。,星子,现在比较一致的看法是，在形成地球的这团冷星云里，在万有引力的作用下，物质的微粒互相吸引，形成小的团块，也叫做星子。星子再互相吸引，大的“吃”掉小的，不断碰撞、不断吸积，直至成为地球和其他行星的前身。这个原始的地球是一个比今日的地球大得多的尘埃的集合体，在那时就已大致沿着今天的地球轨道自转和公转了。,构造地球,在形成地球的区域内，由于接受的太阳辐射多，温度高，轻的气体早跑掉了，那些水和气体冻结而成的冰也化成了气，散失到太阳系的外部，构成类木行星。剩下来建造地球的，以尘埃中的固体物质为主，所以其化学组成当然和原来的星云有显著的不。月球和类地行星的情况均与此相似。 现在般都认为，原始地球内的“星子”，受到引力的作用向中心聚集，体积逐渐缩小，物质的密度越来越大。但是收缩不是无限的，因为物质还要受到自转所产生的惯性离心力的作用，而离心力是要随着体积缩小，导致自转速度加快而增大的，当离心力增大到能抵消引力时，就达到了平衡，不再收缩，形成了今天这样大小的地球。,冷高温（局部熔融）冷却凝结过程,在尘埃向中心聚集的过程中，由于引力的作用，体积收缩，压力加大，会释放出大量的热量。放射性元素的蜕变和陨石的撞击，也都要放出热能。因此，尽管原始的星云物质是冷的，但后来地球曾经历过一个高温时期，至少是局部物质处于熔融状态。以后收缩停止，才又逐渐冷却凝结。,物质分异和迁移,重力的作用与高温的影响，地球里面的物质发生部分熔融，致使重者下沉，轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构。铁和镍密度较大，含量也多，分离出来成为液态的金属向中心聚集，使地球有了一个铁镍合金构成的地核。较轻的硅酸盐物质形成丁包住地核的地幔和地幔之上的地壳。这些硅酸盐成分在地球中以岩石的状态存在，因此我们的地球可以说主 要是一个由岩石和金属构成的天体，不过在地壳上面，还存在由大气和水组成的圈层，它们主要是从地幔中分离出来的，而且这种作用至今还在进行着。,形成过程的细节仍需进一步探索,上面描述的地球形成过程，仍是一种假说，需要首先假定在产生地球的尘埃云中，物质分布处于均匀状态，原始地球是一个均质体，因此被称为均匀吸积说。另有一种非均匀吸积说认为：地球的层圈不是地球已具雏形后内部分异的结果，而是吸积过程中就分别形成了地核、地幔和地壳；最后是气体和水等最轻的物质被吸引到中间这个大岩石球的周围。这种说法不如均匀吸积说可信，但星云中物质的分配，不可能像理想的那样均匀，因此仍有探讨的余地。何况外来天体的撞击，给地球加入新的成分这种可能，也是一个值得重视的因素。 地球形成过程的细节仍需进一步探索！,几个阶段：冥古宙,地幔物质继续分异，越来越多的较轻的硅酸盐成分迁移到上部冷凝，大约在40亿年前后，地球终于有了一个虽然还比较薄，但已是连续完整的地壳。在这刚形成的地壳下面，地幔中的物质仍在运动，一些处于熔融状态的物质向上挤入地壳中凝结，或涌出地面，表现为广泛分布的火山活动；另一方面又在向下流动，把上面已固结的地壳撕裂，并将其部分碎块拽向深处，使它再次熔入地幔物质之中。与此同时，薄弱的地壳还在陨石的撞击下，形成大量陨击坑，因为这时它还缺少大气层的保护。上述这个时期称为冥古宙。,海洋的形成,宇宙中带来的原始气体氢与氦，在地球形成的早期就已散失。后来地球上的大气圈，也是和地壳一样是从地幔物质中分离出来而逐渐形成的，起先的大气成分主要是水蒸气，还有一些二氧化碳、甲烷、氨、硫化氢和氯化氢等，几乎没有现在那么多的氮气和氧气。直到距今38亿年前，地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的。随着时间的流逝，地球上的温度逐渐降低(低于1000C)，大气中的水蒸气陆续凝结出来，形成了广阔的海洋，海水中也缺少氧，而且也含有许多酸性物质。,太古宙,约在38亿年前，水体中开始有了生命的活动，出现最原始的原核细胞生物菌类与蓝绿藻。到32亿29亿年前能起光合作用的藻类大量繁殖，它能消耗二氧化碳，产生出氧气。大约到27亿年前，游离氧在海洋中出现。绿色藻类的大量繁殖，更加快了大气和海洋环境的变化，使其有利于高等喜氧生物的发展。地球的各圈层逐渐分化、形成，或者可以说，走过了它的童年。这段时间长达13亿年，在地质学中称为太古宙。,元古宙,太古宙之后，地球进入一个新的历史时期元古宙。 经过地壳强烈的活动，地球的岩石表层发生变形变位，一些地区隆起，一些地区下陷，而总的趋势是大陆不断扩大，而到距今约6亿年前，大陆面积已接近现在的规模。在中、新元古代时期(距今18亿年前到5、4亿年前)，大气变成以二氧化碳为最多。海洋里的生物多起来了，最多的是菌藻植物，它们的活动促成二氧化碳和海水中的钙镁等元素相结合，碳酸钙镁等物质沉淀在海底，使大气中的二氧化碳减少，氧和氮的含量逐步增加，到最近6亿年来，大气圈的成分才渐渐接近目前的状况。,古生代、中生代、新生代,大气和海洋中，原为酸性的水在与岩石相互作用时，将硅酸盐物质中的钠、钾、钙、镁、铝、铁等金属元素析离出来，形成多种盐类(以氯化物为主)。海水的成分也慢慢变成与今天的相近了。在这种环境中，生命加速发展，约在6亿年前，海洋中的生物迅速繁盛起来(化石证据较多)，我们对此后的地球历史，了解得更清楚和更细致。最近54亿年的时间，被分成古生代、中生代、新生代三个大的阶段，这是根据生物发展的阶段性来划分的。在“代”的下面还再分出纪、世、期等层次。,古生代延续了约3亿多年，包括寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪等六个纪；中生代(25亿年到6 500万年前)，包括三叠纪、侏罗纪、白垩纪等三个纪；新生代最近也最短，只有6 500万年，包括第三纪、第四纪两个纪。人类出现，是第四纪的重要标志。这些纪的术语，除了石炭表示那个时期形成的煤多，白垩与那个时期形成的白垩有关外，大多取自地名的译音。 元古宙晚期形成的五个古大陆，进入古生代后继续保持稳定，但位置在不断移动，到了古生代末期，几个大陆移动到最接近的程度，形成了一个统一的联合大陆，但这个联合大陆井未能长久维持，进入中生代就解体了，逐渐演变成今日的大陆大洋的轮廓。 在这近40亿年的时间中，地球上的生命大致经历了从原核细胞到真核细胞到多细胞生。,四、怎样知道地球的过去,上面概述了地球的生平。大家心中不免会有这样的疑问：那些发生在亿万年以前的往 事，你们是怎样知道的? 别说亿万年前，千百年乃至几十年前的往事，如不作记载，也容易湮灭无闻。地球形成以后，过了40多亿年才有人出现，有谁去记下它的历史? 是地球自己，地球的历史就记录在那些岩石之中。,化石,大约在800多年前，中国学者朱熹(11301200)发现：“尝见高山有螺蚌壳，或生石中，此石即水中之物。下者却变而为高，柔者变而为刚。此事思之至深，有可验者。” 朱熹说的水中之物，是指洪水中的泥沙。许多岩石正如朱熹所说，是泥沙在水下堆积形成的，它们被称为沉积岩，成层出现是沉积岩的特征。那岩石中的螺蚌壳，是地质学中所说的化石。化石是生物的遗体或遗迹，因为生物死后如果是被泥沙迅速掩埋，并处在水下与氧气隔绝的环境中便有可能不至于完全腐烂，生物的介壳或骨头被水中的矿物质逐渐渗透取代，变得坚固并仍保留原来的形态，成为岩石中特殊的成分一一化石。,化石,朱熹之后300多年，意大利著名的艺术家、知识渊博的学者达芬奇(Ldavinci，14521519)也作出了自己的判断：亚平宁山脉上发现的海生介壳化石，本是生活在海滨的生物，是河流带来泥土把它们掩埋，并且渗入到它们的内部。他还推论，后来这里的地势升高，所以这些海洋生物的遗体就会出现在山上。 朱熹和达芬奇都看到了，今日的山可以是过去的海，山野间的岩层就是地球历史的遗迹。,地层层序律,1669年，出生于哥本哈根的斯泰诺(NSteno，16381686)更总结出在这些岩层之间，存在着如下的规律：岩层在形成后，如未受到强烈地壳运动的影响而颠倒原来位置的话，则应该是先沉积的在下，后沉积的在上，一层压一层，保持近于水平的状态，延展到远处才渐渐尖灭。这就叫地层层序律。它使我们能通过那些似乎是杂乱无章的岩层，辨认出地球史册的先后生成次序。岩层在这里有了时间的意义，形成了地质学中的一个重要的基本概念地层。地层是具有时间意义的岩层或岩层的组合，每一段地层都代表着一定的时间。,时间和空间的统一,地层不仅指成层的沉积岩，而且也包括了一切产出于这段时间的其他岩石。如果没有将时间和空间统一起来