地球演化-第1章绪论

第一章绪论

第一节

关于地球演化

主要回答如下问题：

1.为什么开设这门课程

2.如何开设这门课程

1、地质学、地球科学

地球是由许多圈层组成的：大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、地幔、地核………

研究大气圈形成气象学：大气的运动、现象及天气预报。气象学、气候学、大气物理学等。

研究水圈形成：海洋学、陆地水文学、冰川学。海洋学：含海洋物理、化学、生物、地理及地质等各方面。水文学：以淡水为研究对象。

研究生物圈形成生物学：

研究地幔与地核则主要由地球物理学、地球化学与宇宙化学来研究。地球物理学：使用物理方法进行地球研究的一门科学。地球化学：研究地球各圈层化学元素及其同位素的分布数量及其在自然界中的循环。

研究岩石圈形成地质学：

地质学（狭义）：是以固体地球（或岩石圈或地壳）为研究对象的一门科学。主干课程：矿物岩石学：主要研究地球外壳（岩石圈）的物质组成---矿物与岩石。古生物学与地层学：古生物学是以化石为研究对象，探讨地史时期生物界及其发展规律的一门科学；地层学（广义）：是研究地壳岩石的时空分布规律的一门科学。构造地质学：普通构造学，是研究地层变形特征的一门科学；大地构造学，是研究地壳上一些大型构造（区域或全球）空间的分布、地质、地球物理性质、演化、及其形成的地球动力学。

地理学：研究地球表层所有现象，尤其以人与环境的关系为研究对象，（自然、人文）

地质时期的大气圈、水圈和生物圈主要是由地质学来研究；地质学亦包括地质时期的地幔、地核。

如此，地质学：涉及地球的起源、物质组成、及其形态，它的历史、演化过程等等。

地质学（广义）就是关于地质时期的地球科学。2．地球系统科学

尽管各学科的研究对象和内容都很明确，但却都局限在某一个特定的时间与空间范围内。

地球是一个巨大的系统，地球科学应当作为一门系统科学来研究，这已经成为当前全世界学术界的共识。地球系统科学就是要从整体论(Ho1ism)的观点出发，研究地球这个大系统内各个子系统，即各圈层内部以及圈层之间的运动变化的过程、形成机制以及可能发生的变化趋势。地球系统科学理论的构建主要取决于地球科学、信息科学与可持续发展三大背景和挑战。

本世纪，人类正面临着一系列前所未有的重大而紧迫的全球环境问题，如：人口爆炸、土地荒漠化、资源短缺、环境污染加剧、“温室效应”与全球变暖、臭氧屏蔽的破坏、森林锐减和物种加速灭绝、淡水资源短缺等。

从科学角度看，这些紧迫的环境问题实质上是由地球各圈层组成的统一系统，即地球系统各圈层相互作用引发的。

地球系统科学是将地球大气圈、水圈、岩石圈、生物圈作为一个互相作用的系统，研究其间的物理的、化学的和生物的过程，并与人类生活和活动结合起来，借以了解现状和过去，预见将来。只有如此才能真正深化

对地球的研究，也只有如此才能回答人类所面临的一系列地球系统行为的紧迫环境问题。

例如，数十年来大气科学的发展，就日益介入海气相互作用、陆气相互作用、大气痕量气体的化学过程及气候效应等，从海洋学角度，海气相互作用，冰川及冰盖变迁，海水与陆地及大气的淡水交换等的重要性及相应的研究工作日益得到重视。

四十多年来空间技术的突飞猛进开阔了人类的眼界，大大提高了人类认识地球的能力，这是向地球系统科学概念转变的另一重要背景。1960获第一颗地球卫星照片1971用月球岩石年龄测定证实地球一月球系统的年龄为45亿年1972发射LANDSAT-1卫星观测地球陆地1978发射SEASAT及Nimbus—7进行海洋大气监测70年代认识到催化循环；对平流层臭氧层的破坏1981从空间研究地球极光1983通过VLBI直接测量大陆漂移1986由国际科学联合会支持开始国际地圈生物圈计划(1GBP)80年代积极研究南极臭氧洞·1995开始地球系统科学的观测计划…………………….

过去30年间发展起来以高速计算机为代表的计算能力是地球系统科学研究的重要支柱。

地球系统的一般特征

1）动力系统地球是一个动力系统，地球上的所有物质都在运动，而且物质的运动都具有一定的速率、一定的演化过程并有一定的动力学机制。

2）开放的系统地球系统自从诞生以来，整个系统与周围环境之间就一直发生着质量、能量与动量的交换。3）圈层间的强烈相互作用地球是一个复杂系统，这表明它是由大量不同的、而且具有强相互作用(即非线性相互作用)的单元(子系统)所组成的系统。正是地球的各个子系统之间发生的强相互作用而自发地涌现出系统总体性状、结构与动力学行为，这些就被称为地球系统的复杂性。地球各圈层的强相互作用，意味着各圈层之间发生着耦合与解耦作用。4）不可逆的进化现在已经知道地球的演化，正像非平衡热力学和非线性动力学所揭示的那样，在时间演化上具有不对称性和单向性，即不可逆性。

5)…6)…推荐：毕思文，2003.《地球系统科学》.北京，科学出版社，p.1-318

当代地质学的发展亦是如此.

如:古生物学,已经从传统的门类古生物学跨入现代古生物学---它集理论古生物学.门类古生物学.应用古生物学于一体.3.地球演化

主要是探讨与地球有关的这些物质在不同时期的状况及其演化过程的一门学问。就是利用已知的关于地球科学的各分支学科的知识，阐明地球发生、发展的过程及其演化规律。地球演化

－源于地史学

－高于地史学

推荐：刘本培、全秋琦，1996.地史学教程.北京，地质出版社，p.1-2771）地球演化是地球在时间这个纵轴上的变化过程，所以地球演化的讨论是按年代线索进行。分为地球的天文演化和地质演化，地质演化又可按地质年代分为若干阶段，如：太古宙、元古宙、显生宙的演化等等。

2）从宏观上看，地球演化主要是地球各圈层的演化以及各圈层演化的耦合关系。

各圈层演化

地球的演化分为古大气圈的演化、古水圈的演化、古生物圈的演化、古岩石圈的演化等等。

地球各圈层演化的耦合关系

大气圈演化与其它圈层演化的耦合关系

水圈演化与其它圈层演化的耦合关系

生物圈演化与其它圈层演化的耦合关系

岩石圈演化与其它圈层演化的耦合关系

地球系统中各圈层演化的耦合关系

以地质年代为线索，以圈层演化以及圈层演化的耦合关系为主线是地球演化课程教学的主导思想。

目的：

将所学专业知识进一步浓缩、提炼、深化，归结到地球演化这样一个系统中。

这对开阔视野，提高综合分析问题的能力、建立宏观知识结构、活跃学术思想等方面具有重要的意义。

第二节

地球科学的发展简史与地球演化观

一、18世纪之前，古代地球科学的发展阶段

18世纪之前，地球科学的发展处于古代阶段----萌芽阶段。对地球的研究主要是对地质知识的直观、零散的描述以及对这些现象的高度推测。

亚里士多德（Aristoteles）,公元前384—322年，著有《气象学》

葛洪（284-364）的《神仙传》中就有“东海三为桑田” 的海陆变迁的思想。沈括（1031-1095）在《梦 溪笔谈》中对上述思想进行了精辟的论述。

15世纪“地理大发现”促使区域地理学逐渐发展成为具 有全球性内容的学科。

1543年，哥白尼（Copernians）发表了《天体运行 论》，提出“日心说”，科学论述了地球运动问题。

1669年，斯坦诺（Steno）提出了地层叠覆律、原始侧向连续定律，原始水 平定律。

中世纪，神学占主导地位，创世说成为解释地球的根据----地球是由神秘的上帝所主宰的。

二、18-19世纪，是近代地球科学发展阶段

在地球科学中，首先发展起来的是地理学，它是以地表附近的地理圈为研究对象。现代的概念是：是研究地球表层（面）的所有现象的一门科学，尤其是以人与环境的关系为研究对象。可分为自然地理，人文地理。

其次是地质学，18-19世纪的地质学是一门包罗万象的学科，成为当时地球科学理论的核心。

1、

水成论与火成论

18世纪，作为地质学的开端人们首先关心的是矿物岩石学

德国的维尔纳建立了矿物岩石的系统分类，建立了德国南部的地层层序。

⑤玄武岩----地层煤层燃烧的结果

④冲积层，砾、砂、黏土----河流形成

③富含化石的成层岩石和玄武岩

②板岩、硬砂岩、石灰岩------化学沉积

①花岗岩、片麻岩、片岩等-----化学沉积

如此，形成了水成论（Neptuism）,认为：一切组成地壳的岩石、矿物最初都是由淹没地球的海水中沉淀形成的，水是改造地表的主要因素。

代表人物：维尔纳（A.G.Werner,1750-1817）,萨克森弗莱堡矿业学院的教授。

对水成论提出疑义的是郝屯（Hutton,1726-1797）,苏格兰地质学家，1795著有《地球理论》，这是一部阐述经典地质学的理论的书。

火成论认为：许多火成岩，如花岗岩、玄武岩不可能是矿物质从水溶液中结晶出来的产物，而是高温的熔化物经过冷却结晶的结果，即花岗岩是岩浆的冷凝，玄武岩是火山喷发冷凝的结果。

二者之争长达30年之久。后来，法国人德马列（N.Desmrest,1725-1815）对法国中部玄武岩的研究---通过追索，找到了火山口，以及维尔纳退休，火成论被广泛接受。

火成论与水成论的争论是围绕矿物、岩石的成因展开的。

2、灾变论与均变论

19世纪是古生物学与地层学的世纪。

在地层学方面：

19世纪初，已经建立起古生代以来地层系统及地质年代表。

如；第四系1829，白垩系1822，侏罗系1829， 三叠系1834，石炭系1822泥盆系1839， 志留系1835，寒武系1836…..

在1881年召开的国际地质会议上，正式建立了地质年代表。

地层学一些重要理论、概念相继问世。

史密斯（W.Smith）化石层序律；

薛知微（A.Sedgwisk）系及地层的接触关系；

奥比尼（A.D’Orbigny）阶和带的研究；

威廉斯(HS.Williams)地层的双重划分；

格莱斯利（A.Gressly）相的概念；

瓦尔特(J.Walther)相对比定律；…….

在古生物学方面：

化石的分类和描记在19世纪初就已经开始。其中，

拉马克（Lamark）古无脊椎动物，居维叶（G.Cuvier）脊椎动物，

史密斯（W.Smith）生物地层学。

①法国著名的古脊椎动物学家居维叶(G．Cuvier，1769—1832)，在研究化石时发现时代不同的相邻岩层中动植物群面貌有显著的差异。他还发现较老岩层的产状常呈倾斜，并为较新的、常呈水平产状的岩层所不整合覆盖。于是，他在1812年提出了一种灾变论观点，认为堆积物的沉积曾发生巨大的变革，被世界规模的大灾难所中断。这些变革表现为某些地区的上升和另外一些地区的下降，并使较老动、植物群灭绝和代之而出现较新的根本不同的动植物群。

居维叶的学生法国古生物学家道尔.比尼A．D’Orbgny，1802—1857)把灾变论发展到极端，他估计地球史上发生过27次大灾变。而法国地质学家鲍曼(EdeBeaumont,1798—1874)估计这种灾难多达32次。

在十八世纪末到十九世纪初，一部分科学家同教会的牧师们一样认为地球是在几千年前才产生的，相信突然而强烈的力量或大灾难使地球表面发生了变化，这种理论在哲学上叫做灾变论(Catastrophism)。

事实上，居维叶不能说明在每次灾变之后，新的生物从何而来，为什么同灾变前的生物有明显的差异。灾变论者所提出的在地史上大批生物绝灭是由于全球性大洪水的淹没所致，这和圣经上描述的大洪水成灾的故事相似，因而得到教会的支持。

②均变论（Uniformitanism）==渐变论Gradualism）=现实主义原理（PricipleofActualism）

对灾变论提出挑战的是郝顿（Hutton）,

他1788出版了《地球原理》一书，其去世后，其学生柏勒费尔（J.Playfair,1748-1819）整理出版了《郝顿地球理论说明》一书。完整的阐述了均变论的思想。

认为：古代岩层的形成可以用现代观察到的地质作用来说明，过去发生的所有地质作用也在现在发生着，沉积过程是缓慢的，大陆巨厚岩层的形成需很长的时间，地球有一个漫长的历史。莱伊尔（CH.Lyell,1797-1875）,英国地质学家，其名著《地质学原理》1830，以均变论为题，提出：“现在是了解过去的一把钥匙”的现实主义原理。由于，认为地壳和生物界逐渐而缓慢的进化的观点，又叫渐变论。

。

认为：

a.在自然界，物理法则及化学法则是永恒的，不受时代限制，永远正确，地质作用过程、现象是各种物理与化学作用的过程与表现，可以将古论今。

b地质营力发生变化的原因和地球表面及内部发生变化的原因，过去与现在完全相同，将来也不会改变。

C地质营力在质和量方面，在过去和将来完全相同在古生物学方面，

拉马克（Lamarck,1744-1829）对灾变论中认为：“岩石中不同的动物群是由世界规模的灾难和种的多次创造所形成的”观点提出置疑。他认为：物种与物种之间是过渡的，由低级属种逐渐向高级发展的结论。==进化过程需要很长时间，地球有一个悠久的历史。

达尔文（C.Darvin,1809-1882），1859年，出版《物种起源》一书，阐述了：生物界是进化的，经过漫长的演化，由低级到高级，由简单到复杂，不可逆发展的。特别强调了变异、遗传、自然选择。

至此，在近代地球科学发展历史中，作为地质学理论体系完善化了，实现了郝顿—莱伊尔—达尔文的地球科学革命。进化论—均变论在地质学领域占主导地位达150年之久。

3、固定论与活动论

继矿物岩石学---地层古生物学之后，人们亦 开始关心大地构造学。

1850年，瑙曼（Naumann）提出大地构造一词；1852年，波蒙（deBeaumont）发表了《山脉体 系简介》；

1885-1904年，休斯（Suess）发表了《地球的面 貌》一书，论述了地壳运动、涉及山脉与海 洋，地貌的形成方式等，

在这一时期，有关地壳演化的占主导地位的是地槽—地台学说，其哲学观点是“固定论”。

1859年，霍尔（J.Hall）在北美第一次注意到古生代，同一时代的地层在阿帕拉契山要比比邻的密西西比河平原厚几乎10倍，从而把山脉和沉陷地带联系起来，提出：褶皱山系是在地壳的巨大凹陷部位生成的。凹陷的原因为沉积物的加载。

1873年，丹纳（J.Dana）将其称为地槽，并认为是侧向挤压的结果。

1887年，卡宾斯基（Karbinshcki）根据东欧平原近水平产状的古生界到处不整合在已经强烈变形的结晶基底之上的现象，建立起地台的概念，地台是面积巨大，具有双层结构特点的区域。

由地槽—地台学说引申出===固定论。

大陆的位置是固定不变的，大洋盆地是永存的，海陆分布的总体格局在地质历史中是固定不变的，地壳运动以垂直运动为主，而否定大规模的水平运动的存在。

固定论是丹纳提出的，得到维里斯（B.Willis）、舒可特（C.Schuchert）等人极力倡导。到20世纪50年代仍占主导地位。

在固定论为主导的情况下，亦产生活动论的萌芽。

最初的理论形式是“大陆漂移说”

斯奈德（A.Snider）1858年，绘出一幅大西洋周围大陆的复原图，并给予了初步的说明。

1910-1912年，泰勒、贝克（HB.baker）、魏格纳（AL.Wegener）都发表了文章。

1915年，魏格纳出版了《海陆的起源》一书，说明，大陆在地质历史中曾发生过大规模的水平移动，从而，大陆、大洋的相对位置曾发生过显著的变动。

a.南美和非洲大陆轮廓的匹配。

b.地质组成和构造走向一致。

c.南半球爬行动物及哺乳动物的相似性。

d.C-P冰碛岩分布的一致性。

上述的大陆漂移只是大陆的运动方式，关于大陆运动的动力基础？

1926年，李四光发表了《地球表面形象变迁的主因》，提出地球自转速度的变化是地壳运动的主要原因。之后，1962年，《地质力学概论》----发展成：地质力学。

1928年，霍姆斯（A.Holmes）提出“地幔对流说”，设想固体地幔物质的缓慢对流拖动了其上的大陆。

三、20世纪中叶，

地球科学现代发展阶段

20世纪初，地球物理学产生了，--固体地球内部结构状况开始揭晓，

相应地，地球化学、气象学、海洋学等地学的分支学科得到了充分的发展。

60年代，开展了“深海钻探计划”和“国际地壳上地幔计划”，

1956年，通过大洋地质的古地磁学研究有重大发现：

a.洋壳厚度7Km,与陆壳35Km不同；

b.全球性的洋脊系统、海沟、以及火山链被发现；

c.相对洋脊磁极倒转条带的对称出现；

d.自洋脊向大陆，沉积物由新变老。

1960–1962年，赫斯（HH.Hess）、迪茨（RS.Dietz）提出：以地幔对流为基础，认为洋壳在洋脊处不断生长并向两侧移动，而在海沟处俯冲入地幔深处消失的海底扩张说。

威尔逊（Wilson）1965，提出：

a.岩石圈可以分为少量的板块，板块的边界分为：离散、会聚、转换型。

b。洋脊扩张，形成新洋壳，又通过俯冲在会聚边界消减，

1968年，又提出洋盆的形成、发展、消亡过程，称威尔逊旋回。

1968年，摩尔根（JW.Morgen）、勒皮雄（XL.Pichon）更明确、同时提出板块构造。

a.

岩石圈是由为数不多的刚性板块组成，xcm/年速度相对运动。地壳运动是板块相互运动的结果，只发生在板块的边界上。

b.

壳+地幔最上部==岩石圈，以刚性和弹性与下伏的和相对塑性的软流圈对应，二者界面是大规模水平运动的地方。

c.洋壳扩张和消减基本平衡，地球的大小、形状保持不变。

d.

驱动力可能为地幔对流

大陆漂移—海底扩张—板块构造可以概括为：活动论：

地表上的大陆位置相对于地球的旋轴曾有重要的改变，地表上的大陆之间发生了重要的位移。

当代地球科学对板块构造修正：

1．板内的力学性质，板块是刚性的，只运动无变形

非刚性的，可变形和缩短

2、板缘运动陆陆碰撞—结束

陆陆碰撞-没结束，碰撞构造

边界简单

边界复杂----大量的微型板块

3、板块的历史，中-新生代，古生代，元古代，太古代

深尾良夫（Y.Fukao）等1994，根据：地球内部三维地震层析成象，行星比较学，地质资料。提出了：生长构造，地幔柱构造，板块构造，收缩构造，终端构造。

4、地球体积的变化地球的大小、形状保持不变。

地球体积收缩说—体积变小；膨涨说—体积变大；脉动说—收缩-膨胀-收缩-膨胀

5、驱动机制----地幔对流，是一个假说，等等。

第三节地球的圈层结构

4.1大气圈

总质量：5.136x1021克，集中在100km,3/4在10km,

物质组成：氮78%，氧21%，氩0.93%，二氧化碳0.03%,还有水蒸气，以及微量氖、氦、氙、氡、氨、氢、臭氧等。

结构：2000—3000km,没有确切界线。

4.2水圈

总质量：166.4亿亿吨，陆地（江河、湖泊、沼泽、冰川、地下水、水蒸气）3%，海洋97%，平铺地球2600M,

4.3生物圈

大气圈下部+水圈+岩石圈顶部，植物40万种，动物110万种，微生物10万种；

植物动物微生物三级循环系统。

估计化石物种