普通地质学第一章

第一章地球的起源 形态及其物质组成 第一节地球的起源 一 宇宙 银河系和太阳系 宇宙 universe 是物质世界 宇 是无边无际的空间 宙 是无始无终的时间 宇宙是无限空间和无限时间的统一 在宇宙空间弥漫着形形色色的物质 如太阳系 银河系 恒星 行星 气体 尘埃 电磁波等 它们都在不停地运动 变化着 宇宙中物质的存在形式具有多样性 一部分物质以电磁波 星际物质 气体 尘埃 等形式呈连续状态弥散在广漠的空间 另一部分物质则积聚 堆积成团 表现为各种堆积形态的积聚实体 通常将包括星际物质和各种积聚态实体在内的所有宇宙星体通称为天体 恒星是宇宙中最重要的天体 恒星是由炽热气体组成的 能够自身发光的球形或类似球形的天体 构成恒星的气体主要是氢 其次是氦 银河系 milkywaysystem 是一个大约由400亿颗恒星和大量星际物质组成的庞大的天体系统 侧面看呈中间厚边缘薄的扁饼形 正面看呈旋涡形 太阳系 solarsystem 是一个以太阳为中心 受太阳引力支配的天体系统 太阳是其中唯一的一颗恒星 其质量占整个太阳系的99 87 能发出强烈的光和热 围绕太阳旋转的是一个行星体系 主要有九大行星 由里向外依次为 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海天星 冥王星 及众多的小行星 主要分布于火 木星之间 卫星 慧星和陨星等 太阳系目前以冥王星轨道为边界 直径为l1 8 109km 太阳系的主要特征 1 运行轨道的规则性行星的公转轨道都是椭圆形的 并分布在与黄道面交角约为7 的同一平面内 冥王星除外17 9 2 运转方向的一致性全部行星都以同一方向绕日运行 还各自以同一方向绕轴自转 3 行星距离的规律性各行星与太阳间的距离具有近似几何级数递增的规律 经验公式为 d 0 4 0 3 2n d为天文单位 水星 金星 地球 火星 小行星 木星 土星 天王星 海王星和冥王星的n值依次取 0 1 2 3 4 5 6 6 63和7 4 行星分为两大类 类地行星和类木行星 l 类地行星 水星 金星 地球和火星 距太阳近 体积小 质量小 密度大 重元素多 自转慢 卫星少 2 类木行星 木星 土星 天王星和海王星 距太阳远 体积大 质量大 密度小 轻元素多 自转快 卫星多 冥王星 具有类地行星的某些特征 5 角动量 动量矩 是角速度和转动惯量的乘积 角速度 质量 转动半径2 因此 太阳占太阳系总质量的99 86 但其角动量只占1 2 6 太阳同行星的物质组成有差别太阳组成的99 为氢 氦这两种元素 而行星则主要由较重元素组成 在类地行星中铁 氧 硅 镁占90 左右 二 太阳系和地球的起源 天体是怎样形成的 以后又历经过什么样的发展过程 18世纪以来 科学家们先后提出过30多个地球起源假说 因为限于当时的科学水平 加以有些立论无据 不能圆满解释太阳系存在的客观规律 因而一个个相继退出历史舞台 但是其中有些在促进天体演化学发展上却起了一定的积极作用 有的对当代科学特别是地质学的发展有极大影响 星云假说 拉普拉斯 微粒假说 康德 俘获假说 施密特 流行的太阳和地球的起源假说简介如下 大约在五 六十亿年前 在银河系所在位置存在一个巨大的气体 尘埃 星云 太阳云 solarnebula 太阳云一开始不稳定地自转着 在自身引力作用下进行收缩 使大量物质聚集于中心部位 根据角动量守恒定律 体积缩小将导致自转速度加快 于是 离心力随之加大 太阳云逐渐变扁 成圆盘状 太阳云收缩 密度压力加大 导致温度急剧上升 使原来寒冷的太阳云内部的温度上升达数百万度 产生氢聚变为氦的核反应 释放出巨大的能量 向外产生强烈的辐射 于是 光芒四射的原始太阳就此诞生 原始太阳处于一个不稳定阶段 不断抛射出大量物质 这些抛出物质参加到围绕太阳旋转的圆盘中 旋转速度加快 角动量也增加到很大 在这个围绕太阳旋转的盘状星云赤道面上 离心力和吸引力可以达到相对平衡状态 而内部却发生激烈分化 尘埃物质作为气体凝聚的核 形成一个个大大小小的团块 并逐渐形成一圈一圈的有规律间隔的尘环 环内物质在不均匀引力作用下 相对运动速度逐渐增加 相互碰撞粘合的机会大大增加 于是 大团块吸引小团块 聚集成为行星胚胎 原始行星的直径较现在要大几百倍 但是密度很小 因为它们在开始阶段含有大量的氢 氦 而只有少量重元素 一方面随着重力场加强 不断收缩而变得有较大的密度 同时 由于内部产生重力分异 也可使重元素沉向中心 在距离太阳较近的类地行星中 H He受太阳风的辐射压力而被驱散 导致类地行星主要成分是Si O Mg Fe等 第二节地球的形态 一 地球的形状与大小 通常所说的地球形状是指大地水准面 是指由平均海平面所构成并延伸通过陆地的封闭曲面 所圈闭的形状 国际大地测量与地球物理联合会1980年公布的地球形状和大小主要数据为 赤道半径 6378 137km两极半径 6356 752km平均半径 6371 012km扁率 1 298 257赤道周长 40075 7km子午线周长 40008 08km表面积 5 101 108km2体积 10832 108km3 地球的外形是内部状况的反映 总的来看 地球十分接近正圆球体 扁率很小 相对地球半径而言 表面起伏不大 然而 正是这样 微小的 偏差 却表明了地球物理方面的一些重要问题 其一 地球为扁球体 旋转椭球体 显然是自转离心力造成的 表明地球具有一定的塑性 同时 也表明自转离心力对地球内部的物质运动产生了明显的影响 其二 地球表面并不与理想的扁球体重合 质量增亏产生的应力 必须由内部某种不均匀性所支持 或者表明地球内部有大规模的物质对流 二 固体地球表面的形态 现代陆地大地测量和海洋测深已经积累了相当丰富的数据 可以提供有关全球地势的基本情况 大陆平均高875米 珠穆朗玛峰最高 为8848米 海洋平均深3729米 最深为马里亚纳海沟 深度超过ll000米 封l 2 3图是三大洋的海底地势图 为了醒目 垂直比例已适当放大 这些图表明了占地表十分之七左右的海底形态特征 配合大陆的类似图封4 可以看出地表形态在宏观上最重要的两个特点 第一 地表最大的地形区划是海 陆的划分 大陆和海底不仅仅是高度不同 从宏观上看 都具有平面的特点 分别代表了两个高低不同的平台 大陆平台大致高800米左右 海底则以深4000多米的深海底为平面主体 两者相差约5000米左右 这个高差远远超过海 陆内部的一般相对高差 这 宏观的特征表明 大陆和海洋的深部地质一定有着重要的区别 第二 海底 陆地 都有许多线状的地形 如大陆和水下的山脉 海底的深沟等 它们之间则是相对较平坦的地块 地表形态是由特高或特低的 条条 与相对平坦的 块块 镶合而成 这种 条条块块 实际上反映了地下地质情况的基本格局 这些线状地带 是地质构造最复杂 地壳最不稳定的地带 而它们之间的地块则相对较稳定 地质构造也较简单 三 大陆的地势特征大陆上按形态和成因最具典型意义的地形单元为呈线状延展的山脉和呈面状展布的 平原 高原等 一 山地海拔较高 500米 地形起伏较大的地区称为山地 一般海拔500一1000米者为低山 1000 3500米者为中山 3500米者为高山 除了个别孤立的火山外 绝大多数山地呈线状延展 称为山脉 山脉主要是地壳运动使地表隆起的结果 大致可分为 褶皱山岩层剧烈褶曲 一般认为是地壳受挤压 缩短的部位 如喜马拉雅山 秦岭 祁连山等以及阿尔卑斯山等都是著名的山脉 断块山山脉两侧或一侧为高角度大断裂 使整个山脉作为断块抬升形成 如沂蒙山 太行山等山脉 二 平原平原是较大的平坦地区 一般海拔 200米 其内部相对起伏多不超过数十米 典型的平原一般为冲积平原 如华北平原 松辽平原等 主要为巨厚的松散沉积物覆盖 其下伏基岩表面有时有较大起伏 表明原来是个低洼下沉的地区 以后被沉积物填平成平原 还有少数不很典型的平原 其上面的松散层很薄 许多地方基岩直接出露 如加拿大东部广阔的低地 我国淮河中下游 三 高原高原是海拔较高 500 600米 表面较平坦 或有一定起伏的广阔地区 高原为近期大面积整体隆起上升的地区 如我国西北的黄土高原 东 南 西三面均为地震较多 活动性较强的地带 地表被新生代的黄土覆盖 表面平坦 但由于地势高 被地表水系冲刷出许多很深的沟谷 实际上是一个上升了的平原 高原这个术语在地形和成因上不十分严格 如青藏高原内部还有唐古拉 念青唐古拉等山脉 实际上是密集并排的活动带 四 裂谷系大陆 上有一些宏伟的线状低地 许多地质和地球物理证据表明 这些地带是地球表面的巨型裂隙 地壳在这些地方被拉张而裂开 称为裂谷 riftvalley 或大陆裂谷系 裂谷一般宽30 50公里 两壁或一壁多为陡峻的断崖 中间为低凹下陷的谷地 最著名的为东非大裂谷 为 系列湖泊和峡谷 莫桑比克附近向北经尼亚萨湖 坦噶尼喀湖 维多利亚湖 阿法尔 红海 卡巴湾至死海附近 全长约6500公里 两侧为高出谷底数百至一 二千米的大断崖 其两侧的地形凸凹可以很好地拼合 五 丘陵丘陵为有一定起伏的低矮地区 般海拔在500米以下 相对高差只有几十米而不超过200米 如我国中 南部的许多地区 丘陵的特点介于山地和平原之间 从成因上看 可以是山地发展的晚期 向平原方向转化 或者是正在向山地转化的平原 总之 是山地 平原的过渡产物 四 海底的地势特征大量海洋考察证实 海底同样具有广阔的平原 高峻的山脉和深陡的裂谷 而且比大陆更为宏伟壮观 最重要的地形单元有以以下几种 一 洋脊 oceanicridge或洋中脊mid oceanicridge 海底的山脉泛称海岭 range 其中最主要的是那些现在经常有地震 正在活动的海岭 称为洋脊或洋中脊 洋脊在地形上为一系列平行的鱼鳍状山脉 两侧较低 中间最高 而且在中心最高部位常有一条巨大的裂谷 各大洋都有分布 而且互相连接 太平洋的洋脊中央裂谷不明显 又称为洋隆 rise 洋脊经常被一系列断裂错开 这些断裂在地形上表现为深沟 表明海底有大规模的水平运动 但是 到目前为止 从宏观上看 还没有发现有褶皱山 这是海底与大陆不同的地方 根据海底取样的结果 洋脊的基岩都是玄武岩 表明它们是火山作用形成的海底山脉 洋脊的中央裂谷在形态上与大陆裂谷极为相似 而且有些地方互相连接 构成了全球的裂谷系统 红海的洋脊实际上是东非裂谷系的一段 大西洋洋脊到了冰岛 转为陆上的裂谷 二 海沟 trench 海底的长条形洼地 泛称海槽 Trough 其中较深且边坡较陡者称海沟 海沟的深度一般超过6 000米 是地球表面最低的地段 海沟一般较其附近的海底深几千米 延长可达数千公里 但宽度通常不超过100公里 海沟多位于深海边部 其横断面多呈不对称的V形 陆侧坡度较陡 洋侧较缓 海沟显然是另一类型的巨型裂隙 大多数海沟的两壁是不平整的 有一系列平行主沟的次级槽和脊 从地形上看 很象是次一级平行的裂隙 三 大洋盆地 oceanbasin 大洋盆地是海底的主体 约占海底面积45 由洋脊两侧向外展布 一般深4 000一5 000米 大洋盆地比较平坦 有一些低缓起伏 分为深海丘陵和深海平原两种单元 深海丘陵一般分布于靠近洋脊的部位 在太平洋最为发育 占深洋底的80 85 深海丘陵的特点是在低平的海底有许多馒头状小丘 这些小丘高50一1000米 底宽l 10公里 为圆形或椭圆形弯丘 一般认为是火山成因 深海丘陵向大陆方向逐渐转为平原 即深海平原 在大西洋比较发育 深海平原的表面极平 其坡度只有万分之几 最多不超过千分之一 是固体地球表面最平的平面 深海平原表层均为松散沉积物 一般认为 深海平原是被来自大陆的沉积物填平的 而深海丘陵则代表了洋底的本来面目 四 岛屿和海山 seamount 海洋中的岛屿有的是微型的大陆 如日本列岛 有的则是被海水淹没的大陆露在水上的残留部分 如海南岛及许多大陆架上的岛屿 然而为数众多的还是在大洋盆地的岛屿 如夏威夷群岛等 这些岛屿无例外都是火山岛 大洋底还有许多比较孤立的水下山丘 称为海山 绝大部分海山是火山 有的海山顶部为较宽的平台 称平顶海山或盖约特 Guyot 岛屿和海山呈线状排列 称为岛链 靠近大陆边缘 在海沟的陆侧也经常有一般呈凸向海洋的弧形排列 称岛弧 islandarc 岛弧总是与海沟伴生 所以通常总称之为岛弧一海沟系 五 大陆边缘只有深4 000 5 000米以上的深海底才是典型的洋底 海洋边部的浅海 是被海水覆盖的大陆 这一部分海底称为大陆边缘 大陆边缘占海洋总面积15 3 其主体为大陆架 1 大陆架 continentalshelf 和大陆坡 continentalslope 大陆架是围绕大陆分布的浅水台地 其表面平坦 大陆架外缘有一坡度明显变陡的坡折线 大陆架坡折线以下为 较陡的斜坡 称大陆坡或大陆斜坡 是海底地形最复杂的地段 常有通向大洋方向的深峡谷 大