全球变化GC05.ppt

第五章全球自然环境的形成与演化,5.1主要圈层的演化/地壳/大气和海洋/生命进化/相互作用5.2全球自然环境的演化/无机/古海洋/古地理/过渡,天，积气也；无处无气。地，积块（土）也；充塞四虚，无处无块”列子天瑞天是气的集合，地是土的集合古代贤哲的卓识,地球形成及演化,5.1主要圈层的演化,5.1主要圈层的演化,46亿年前，整个地球的温度都很高，表面也接近于熔融的状态，各类岩石的块体（以星子为基础）各不相属地分布在地球的表面，后来构成大陆的地壳,早期地球的形成：距今约45亿年前，某个环绕太阳运转的天体通过不断地从与其交叉的轨道上捕获其他天体而增生，形成了早期地球。,5.1主要圈层的演化,地球早期可能曾受到一个火星大小的天体撞击，导致约占地球质量十分之一的物质与地球分离，形成了月球，从而形成：地月系统。,5.1主要圈层的演化,地月系统的撞击成因说,模式图,5.1主要圈层的演化,5.1主要圈层的演化,地月系统运动,5.1主要圈层的演化,最新“月”报,Nature2011.8.4,最新的理论模型推测40多亿年前，另有一颗较小的卫星与月球同时形成，如同特洛伊星体般位于月球前或后方60o重力平衡的拉格朗日点上，且停留时间至少数千万年，长到足以让月球表面固化。提出这项假说的行星科学家以电脑模拟推测，另外一颗较小的卫星直径约1200km，质量为月球的1/30.后来它又以极缓和的速度撞上月球，使得月球背向地球那一面的地壳比向地侧厚了约50km，地形高且多山，与及地面以熔岩平原为主不同，合理解释了月球两面呈现截然不同风貌的原因。除此之外，月球向地面的地壳下以钾（K）、稀土元素（REE）及磷（P）统称为“KREEP”的岩质为主，模型也成功的预测在撞击发生后数小时内，撞击体覆盖在月球背地侧表面的同时，撞击力也将地壳下仍呈液态的KREEP层挤向了近地的另一侧。目前的资料尚无法证实这项假说，科学家们希望未来能取得更多月球样本在与精密的光谱资料来佐证。,5.1主要圈层的演化,地球演化的周期性,5.1主要圈层的演化,地球周期性规律,近日点进动,黄赤道交角变化,地球轨道偏心率变化；冰期和间冰期、沉积韵律等。1000-1400年九星地心会聚长周期；固体潮，地震，火山作用等。140-180年九星地心准会聚周期；固体潮，地震，火山作用等。60年四大行星力距效应,地球公转半径变化；厄尔尼诺；“天干地支”；固体潮，地震，火山，核-幔耦合作用等。29.8年地球自转速率变化，极移；内核振动周期。11年太阳黑子活动，地球自转速率变化；厄尔尼诺；磁暴；地震活动短周期。1年地球公转一周；日幅射周年变；生长季节变化；固体潮。13.1-14.76天月球半月潮；大气超长波变；半月潮；固体潮，余震。1天地球自转一周；日幅射；半日潮；生物钟；固体潮。,1月球的出现成为地球最大的潮汐引力场。2地轴的倾斜导致了地球上的气候形成季节性变化。3小行星撞地球可能促进生命繁盛,大碰撞的意义,5.1主要圈层的演化,重力的作用与高温的影响，地球里面的物质发生部分熔融，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比较重，含量也多，分离出来成为液态的金属向中心聚集地核较轻的硅酸盐物质形成地幔和地幔之上的地壳气体和水等轻物质被吸引在固体球的外围,地球圈层的形成,5.1主要圈层的演化,在地球形成之初，由金属Fe和Ni的氧化物星子加积而成地核，然后Mg和Fe硅酸盐星子覆盖在之上。随着地球的“长大”，在星子捕获产生的热和放射性同位素衰变产生的热的作用下，地球发生熔化并在重力作用下发生分层，即分异作用。,分异作用,5.1主要圈层的演化,分异作用是早期地球内部最重要的作用1直接导致了地球的圈层结构的形成。2间接促成熔融地核结晶时的多余热量缓慢释放形成地热。3间接促成地球磁场的形成。,分异作用的意义,5.1主要圈层的演化,地壳演化历程的三个阶段：（）原始地壳的形成与破坏阶段（）漫长的陆壳增生阶段（）以大陆合并与解体为特征的板块运动旋回阶段,一、地壳的演化,5.1主要圈层的演化/地壳的演化,第一个阶段：原始地壳的形成与破坏阶段(40亿年前),原始地壳是指地球上主要由岩浆作用生成的最初的固态表面。原始地壳的成分主要取决于岩浆源区的成分，岩浆熔融程度、以及岩浆分异的程度和种类。原始地壳的形成时间，它比地球年龄究竟晚多少，目前仍无定论。但是，铅同位素的模式年龄表明大约在40亿年前就可能分异出不同U/Pb比的地区。这种分异可能和地壳形成有关，因此，可以推测最古老的原始地壳在38-40亿年前就已出现。,5.1主要圈层的演化/地壳的演化,2,0,3,1,4,陆壳,距今年,第二个阶段：漫长的陆壳增生阶段（40-20亿年前）,大陆壳不断增生、固化，形成了刚性的板块，最终导致现代板块运动的出现。,图5-1陆地面积的增生过程,5.1主要圈层的演化/地壳的演化,陆壳生长三种模式,关于陆壳的生长方式，目前有三种模式。第一种模式认为，大部分陆壳在30亿年前便形成。30亿年以后的任何地壳生长都是由早期地壳经过由对流的上地幔循环而实现的。第二种模式认为大陆地壳呈线性生长，并且硅铝质地壳只在地壳范围内进行再循环。按这一模式，太古代时期50的陆壳已经形成。第三种模式认为陆壳生长速率随时间演化而呈指数状增加。,该模式认为，现在分布的地壳岩石年龄，反映了特定时期从地幔中产生的新地壳实际数量，经过地幔再循环的地壳物质也归为新地壳。上述三种大陆地壳生长模式，各自有它合理、正确的一面，但也存在着与事实相抵触，不能解释的另一面。模式中对地壳的概念亦有所不同。,5.1主要圈层的演化/地壳的演化,第三个阶段：（20亿年以来）以大陆合并与解体为特征的板块运动旋回阶段,500MaBP以来的坂块运动海陆分布,5.1主要圈层的演化/地壳的演化,列子：天是气的集聚体，天不会塌下，即杞人忧天。宋应星：盈天地皆气也，两气相轧而成声者，风是也。物之充气者，如其激水然，气与水，同一易动之物。达.芬奇：已有了空气和真空的概念。伽里略：证明空气与其他物质一样有质量。拉瓦锡（17431794）：指出空气是氮和氧的混合物。,古人的认识,二、大气和古海洋的演化,5.1主要圈层的演化/大气和海洋的演化,从大爆炸理论(BigBang)说起,一个体积无穷小、质量无穷大的质点突然爆炸形成了宇宙。其过程有点类似于一个核弹的爆炸，原子弹爆炸形成的最高温度相当于宇宙大爆炸一秒钟后的温度。,（1）原始大气（存在争论）,5.1主要圈层的演化/大气和海洋的演化,地球大气的演化,地球自从它形成以来，大约46亿年。其大气的演变可分为三个阶段：原生大气，次生大气、现代大气。原始大气的形成和星系的形成过程密切相关。原始大气出现约46亿年，比原始人类出现（几百万年）早3个数量级，比人类有文字记载的历史（数千年）早6个数量级。因此只能在现有的科学知识加上推理来研究大气演变。科学家们从不同的角度提出了不同大气演化模式。,5.1主要圈层的演化/大气和海洋的演化,原生大气的成分是以氢和少量的氦为主。但原生大气存在不太久（大约数千万年）。当太阳作为年青恒星经历喷发大量物质流的阶段，强大的太阳风把原始大气从地球上吹走，刮向茫茫太空。,原生大气,5.1主要圈层的演化/大气和海洋的演化,次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。按现代火山喷发的成分，主要是水汽（79%）、二氧化碳（12%）、甲烷，还有一些氨和硫的化合物。次生大气中没有氧，即使有也不能保留。因为当时地面温度很高，地壳中有很多铁，氧将很快和铁反应形成氧化铁。次生大气形成时，水汽大量排入大气中，当时地面温度很高，大气不稳定对流的发展很旺盛，强烈的对流使水汽上升凝结形成液态水，出现江河湖海等水体，风雨闪电交加。次生大气笼罩的时间大约46亿年前到20亿年前。最原始的生命在这个时期已经出现（大约35亿年前）。,次生大气,5.1主要圈层的演化/大气和海洋的演化,地球大气演化的一个重要特征是它从还原态朝着氧化态进化。因为原始大气的主要成分是氢，可以猜测的是当时的大气含有甲烷(CH4)和氨(NH3)，而非现在丰富的(CO2)和(N2O)，但没有氧。为什么大气朝着氧化态转化还存在争论。两个可能的机制导致大气朝着氧化态演化：一个是铁质地核的形成（为什么？）。铁从地幔中的分离使得岩石更易于被氧化，火山喷发向大气中输送更多的氧化物，如CO2、SO2等。另一个是氢的逃逸。当氢从CH4和NH3分离出来并逃逸之后，大气变更易于被氧化。如果一个分子要逃离地球的引力，它的动能必须超过地球的引力势能也就是(1).从（1），我们可以得到（2）。根据（2），我们知道，在500km的高度，该分子的逃逸速度为10.77kms-1.,现代大气,5.1主要圈层的演化/大气和海洋的演化,海洋的出现与演化,海洋的出现可能与大气圈的形成同时，其演化与大气圈的演化大体同步。可能在地球形成之后不到1亿年内就有大面积的海洋存在，最迟在40亿年前一定存在。地球上的水来自何处：来自地球内部来自彗星的撞击来自陨石的撞击,5.1主要圈层的演化/大气和海洋的演化,特征：从低层次向高层次转移，即发生了“进化层次上移”,三、生命的进化,（）早期：化学进化阶段（亿亿年前）（）中期：细胞进化阶段（亿亿年前）（）晚期：多细胞复杂生命进化阶段（亿年以来）,5.1主要圈层的演化/生命的进化,生命演化的主要阶段,5.1主要圈层的演化/生命的进化,（1）最早的生命在格陵兰Ishua的变质岩中发现了由生物合成的有机碳，年代是38亿年前，这最早的生命记录。在澳大利亚的Warrawoona群和南非的Onverwacht、FigTree群中发现35亿年前和32亿年前的化石。（2）生命演化的几个重要环节a、真核细胞生物的出现，19-20亿年前，中国学者认为24-25亿年前。b、多细胞生物的出现，也称后生生物。后生植物出现在9-10亿年前，而后生动物出现在8亿年前。c、在元古代末寒武纪早期(7-5.3亿年)，出现了一次生物大发展时期。如澳大利亚的埃迪卡拉动物群、中国的澄江动物群。d、脊椎动物的出现，发生在5.2亿前。e、动、植物的登陆，植物在4.5亿前，动物在4亿年前。f、人类的出现，3-4万年前。,5.1主要圈层的演化/生命的进化,沉积变质岩(Isua,Greenland),1.前生命的化学进化阶段（40亿-38亿年前）,5.1主要圈层的演化/生命的进化,叠层石,2.生命的细胞进化阶段（38亿7亿年前）,5.1主要圈层的演化/生命的进化,明确记录生命细胞存在的证据。由富有机物碳酸盐与纯碳酸盐互相构成的薄层状碳酸盐。由单细胞自养细菌类生物蓝绿藻所形成。,叠层石（Stromatolites）,5.1主要圈层的演化/生命的进化,具有光合作用功能、能沉淀碳酸盐并建造叠层石的细菌及其他原核细胞生命在35亿年以前至10亿-7亿年前一直在生物圈中占统治地位，并在距今20亿年之前，可能是地球唯一的生命类型。,2.生命的细胞进化阶段（38亿7亿年前）,5.1主要圈层的演化/生命的进化,蓝藻（Cyanophyta）又称蓝细菌（Cyanobacteria）或者蓝绿藻（blue-greenalgae）,5.1主要圈层的演化/生命的进化,含有染色体、细胞核及其他进化的内部结构的细胞构成的真核生物的出现在距今20亿-19亿年前。,重大事件：,5.1主要圈层的演化/生命的进化,3.多细胞复杂生命进化阶段（7亿年前今）,5.1主要圈层的演化/生命的进化,在生命的进化史上，进化与灭绝现象是共存的！生物的进化呈现爆发性方式发展（辐射演化）。生物的灭绝呈现突发性大规模灭绝事例：爆发式进化：寒武纪生命大爆发集群式灭绝：五次重大灭绝事件,5.1主要圈层的演化/生命的进化,（）地球上生命的发展演化遵从“适者生存”的自然法则，受环境条件的制约，当某种生物对环境的变化不能适应时，就可能衰退乃至绝灭，为更能适应环境的新物种所替代；（）生命以惊人的程度参与着地球表层环境的演变，极大地影响着地球的演化进程和演化方向，甚至使地球的大气圈、水圈和地球岩石圈发生不可逆转的改变。,四、生态系统的演化及生物与环境的相互作用,5.1主要圈层的演化/相互作用,5.2全球自然环境的变化,全球自然环境的演化有45亿年的历史，可以划分为五个阶段：生命出现时的无机自然地理环境时期（距今4538亿年前）以海洋生命繁殖为标志的古海洋自然地理环境时期（距今384亿年前）陆地生命发展，生物种群和海陆分布形式与现代明显不同的古自然地理环境时期（距今42.25亿年前）古自然地理环境向现代自然地理环境演进的过渡时期（距今2.250.65亿年前）现代自然地理环境的形成与发展时期（距今0.65亿年来）,5.2全球自然环境的变化,全球自然环境演化阶段划分,5.2全球自然环境的变化/无机自然地理,冥生代和太古代的最早期,一、无机自然地理环境时期（45亿38亿年前，历时7亿年）重大事件：（）地球的物质分异作用；（）原始地壳的形成与破坏；（）原始大气被主要由地球排气作用产生的还原性的次生大气所取代；（）受外来天体的碰撞作用，地-月系统形成。,5.2全球自然环境的变化/古海洋,太古代、元古代及早古生代,二、古海洋自然地理环境时期（38亿4亿年前，历时34亿年）（1）无生命系统向有生命系统的转变阶段（3820亿年前）；（2）生命可居住环境形成阶段（20亿6亿年前）；（3）海洋生命繁盛阶段（6亿4亿年前）。,5.2全球自然环境的变化/古海洋,第一个转变：距今20亿年前后1.现代意义的板块运动的出现2.含自由氧的氧化大气的形成3.真核细胞的出现,5.2全球自然环境的变化/古海洋,第二个转变：距今6亿年前1.以三叶虫为代表的具有坚硬的钙质外壳的无脊椎动物突然繁盛于海洋中，即寒武纪生命大爆发标志着地质历史开始进入古生代2.中奥陶纪后无脊椎动物的无颔鱼类开始出现并得到发展3.具有钙质生物的出现与大气中自由氧含量的增加密切相关，钙质介壳形成改变了生物进行氧气交换的方式据此可推断，距今亿年前臭氧层已出现但尚未形成完好，生物仍局限在海洋中,5.2全球自然环境的变化/古海洋,寒武纪三叶虫时代,5.2全球自然环境的变化/古海洋,中奥陶纪后脊椎动物中的无颌鱼类开始出现并得到发展。,5.2全球自然环境的变化/古自然地理,晚古生代LatePalaeozoic,4泥盆纪Devonian5石炭纪Carboniferous6二叠纪Permian,三、古自然地理环境时期（4.1亿2.45亿年前，历时1.75亿年）,5.2全球自然环境的变化/古自然地理,时期特征陆地生命发展，但生物种群和海陆分布形式均与现代明显不同植物、脊椎动物登陆并繁盛，形成无脊椎动物、脊椎动物和植物三足鼎立的局面,5.2全球自然环境的变化/古自然地理,植物,泥盆纪时裸蕨泥盆纪晚期：石松类、节蕨类石炭二叠纪期间：石松、节蕨、真蕨，种子蕨、科达类泥盆纪地层中的煤系主要分布在沿海沼泽地区，至石炭二叠纪则首次形成全球性的成煤期。,5.2全球自然环境的变化/古自然地理,动物40亿年前：具有脊椎的鱼类出现，脊椎动物的基本结构体制开始建立。泥盆纪晚期：两栖类的四足动物石炭纪：陆生脊椎动物爬行类；两栖类，昆虫,5.2全球自然环境的变化/古自然地理,中石炭纪时的植物地理区系,热带、亚热带植物地理区系：以石松、节蕨和科达树十分繁茂为特征，伴有大量的真蕨、种子蕨，乔木不具年轮温带植物地理区系：以草木真蕨类、种子蕨为代表，木本具年轮，典型的代表如匙叶冈瓦纳植物区系：温良气候环境下，以舌羊齿为代表的灌木草本植物为主的植物区系,5.2全球自然环境的变化/过渡,四、古自然地理环境向现代自然地理环境迅速过渡时期（2.25亿年距今约6500万年，历时1.6亿年）中生代Mesozoic三叠纪Triassic8侏罗纪Jurassic9白垩纪Cretaceous,5.2全球自然环境的变化/过渡,联合古陆解体联合古陆在本阶段之初发展到顶峰，随后开始解体，构成了此期间最重要的全球变化事件之一。其解体过程分为五个阶段，其中部分过程已经延伸到现代自然地理环境。,5.2全球自然环境的变化/过渡,第一阶段（202MaBP前后）北美与欧亚的一个板块首先与另一个包括非洲、南美、印度、南极洲和澳大利亚的板块（冈瓦那大陆）在晚三叠纪（202MaBP前后）分离；至180MaBP时，大西洋已张开，特提斯海已经收缩。稍后，由南极洲、澳大利亚和印度组成的板块从包括非洲和马达加斯加的板块开始分离（205160MaBP),5.2全球自然环境的变化/过渡,三叠纪早期,5.2全球自然环境的变化/过渡,侏罗纪早期,5.2全球自然环境的变化/过渡,第二阶段（147MaBP前后）冈瓦纳大陆在它与北美和欧亚大陆分离之后于晚侏罗纪与白垩纪早期之间（130150MaBP)开始解体，南美洲从非洲分离，南大洋诞生。在此期间，北大西洋和印度洋扩大，特提斯海继续闭合，印度板块从南极洲、澳大利亚分离北移（125155MaBP)，马达加斯加从非洲分离，格陵兰开始从北美分离，西班牙、葡萄牙开始围绕一个位于法国北部的扩张极发生旋转分离，阿拉斯加开始从加拿大分离,5.2全球自然环境的变化/过渡,侏罗纪晚期,5.2全球自然环境的变化/过渡,第三阶段（70MaBP)南大洋加宽，马达加斯加从非洲分离，特提斯海闭合成内陆海，即地中海。格陵兰开始从欧洲分离，印度开始从塞舌尔群岛分离。,5.2全球自然环境的变化/过渡,白垩纪晚期,5.2全球自然环境的变化/过渡,在经历了135Ma的漂移后，现代的海陆分布轮廓已经显现。进入新生代以后，发生了第四阶段（54MaBP），澳大利亚从南美洲分离，以及第五阶段（15MaBP），阿拉伯半岛开始从非洲分离、下加利福尼亚开始从墨西哥分离、撒丁岛和科西嘉