3地球的起源与演化.ppt

1、第2章 地球的起源与演化,从宇宙大爆炸到地球的形成 地球的起源和圈层分异 地球的年龄与生命起源 大气圈、水圈和生物圈的形成 生物圈的发展,绵绵不尽的时间长河，谁会想到有一个源头？浩瀚无垠的宇宙空间，谁能想到是从“无”到有？地球的形成与演化，正是在这一无尽延续的时间中，无穷拓展的空间里，所发生的无数科学传奇之一。,从宇宙大爆炸到地球的形成,大爆炸：比利时天文学家勒梅特（G.E.Lemwtre）1927年设想：最初宇宙的全部物质时集中在一起的，异常紧密、温度极高（1032 K）的“原始原子”里。由于温度极高，不能保持永久的平衡，一旦失去平衡，就会发生大爆炸（Fig.1），原始原子迅速膨胀，逐渐演变

2、成今天的宇宙。,宇宙大爆炸,在高温下处于基本粒子的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子。首先电子和质子合成氢原子，再合成氦（He）其它元素从轻到重依次合成。太阳系是大爆炸100亿年后才产生的。,时间的“零点” 与宇宙大爆炸时刻,时间和空间的起点，肇始于160亿年前。一次开天辟地的大爆炸中，诞生了早期宇宙。,最初的宇宙，是从一个无穷小的“奇点”开始扩展的。大爆炸中诞生的宇宙，经历了从初期的急剧暴涨，早期的迅速扩张和后来的局部收缩阶段。,大爆炸时刻表,大爆炸后的10亿亿亿亿分之一秒（10-34秒）内，早期宇宙的体积“从无到有”，急剧暴胀了10100倍； 大爆炸后的1秒钟内，宇宙温度高达100亿K以

3、上。此时还没有原子和分子，只有电子、质子和中子等基本粒子；,3分钟后，宇宙温度降至10亿K以下，质子和中子聚变为原子核，形成了最初的四种物质。其中氢占78%，氦约22%，另有极少量氘和锂； 10亿年后，膨胀较慢的区域发生局部收缩，星系开始形成； 50亿年后出现首批恒星； 100亿年后，太阳系诞生； 距今46亿年前，地球形成。,从大爆炸的尘埃中，谁会料到生命的突现？在太阳系的星云里，谁能预期地球的繁荣？幂幂宇宙中迸发出的勃勃生机，无疑是在一个无穷小的概率下，产生的一次“亿”载难逢的奇特机遇。而要了解地球与生命之旅的唯一途径，也许只有从地球演化的历史中探寻。,天体是怎样形成的？以后又历经过什么样的

4、发展过程？早已引起人们的注意。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。,星云假说与太阳系起源,初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在引力作用下，它们分别聚集为大型星系云，再收缩形成星系。星云在引力收缩中加速旋转，分别脱生出行星圆盘和卫星圆盘，最终形成了九大行星拱卫而成的太阳系。这一时刻距宇宙大爆炸约100亿年,星云假说-拉普拉斯,原始太阳形成以后周围的微粒在太阳的引力作

5、用下继续向太阳聚集，但有一部分微粒受其它微粒的排斥，结果绕着太阳旋转，这些旋转的微粒又不断聚集，最终形成了行星。,均匀吸积说 现在认为形成地球的冷星云里，存在着万有引力的作用，大团块吸引小团块，如此不断吸积而形成。原始的地球体积要比现在的大的多，轻的气体因辐射而逃逸到太空中，随着万有引力作用的不断进行，地球密度不断加大，当地球引力与离心力大致相等时，地球不在收缩，处于平衡状态，即形成了今天的地球。,2 地球的起源和圈层分异,行星地球形成以后，地球在内、外两部发动机的联合驱动下，才得以开始不懈的运动与演化过程。这两部发动机联合驱动，又各司其职，将地球系统的运动和演化过程从性质上划分为外动力作用过

6、程和内动力作用过程，从时间上划分为短期过程（天至几百年）和长期过程（百万年至几十亿年）。,当原始地球内部物质升温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表，形成原始的水圈和大气圈。最终在水圈和大气圈的相互作用中诞生了生命。,地球的起源与形成，是一部优美的三部曲：,46亿年前，太阳星云在加速旋转的过程中分化出原始地球。原始地球温度较低，轻重元素浑然一体，是一个相对均匀、尚无分层结构的行星。, 原始地球一旦形成，即扑获周围的星云物质（或在旋转中甩出自身的部分物质），形成自己的卫星月球。同时因重力分异和放射

7、性元素蜕变而开始增温。,在地球形成初期，熔融的地球最早进行的化学作用是分异成圈过程，即由均一的物质分解出不混熔的液滴，不混熔的液滴不断聚集，导致密度大的物质下沉形成地核，实现了核、幔分异；,随之，地幔逐渐冷却固化，易融物质因其熔点和密度较低，逐渐上浮至地球表层，冷却后形成地壳。,地球形成以后的地形变化可以按时间顺序分为六个阶段这六个时间分别为：46亿年阶段；4240亿年；2510亿年；5亿年前；1亿年前和现代阶段。,地球表层地形的变化也经历了漫长的岁月,非梨亦非球“煮熟的鸡蛋”？,地壳,地幔,地核,蛋壳,蛋白,蛋黄,地球的内部圈层：圈层同心,地球的内部圈层,地震波在地球内部传播时，有两个明显的

8、波速突界面，这两个地球内部界面分别称为：莫霍面和古登堡面 根据莫霍面和古登堡面，可将地球内部分为三个级圈层：地壳、地幔、地核,大洋地壳,大陆地壳,地球的内部圈层特征,地壳 是莫霍面以上的地球表层。其厚度变化在5-70 km之间。 地幔 莫霍面与古登堡面之间的一个巨厚圈层。其厚度约2850km。在上地幔的上部100-350km存在一个由柔性物质组成的圈层称为软流圈（地震波的低速带）。此软流圈之上的固态岩石圈层称为岩石圈。 地核 古登堡面以下地心的一个球体。半径为3480km。,莫霍面,古登堡面,地壳 是莫霍面以上的地球表层。其厚度变化在5-70 km之间。其中大陆地区厚度较大，平均约为33km；

9、大洋地区厚度较小，平均约7 km；总体的平均厚度约16km。地壳物质的密度一般为2.6-2.9g/cm3。大陆地壳（上地壳）主要为富硅铝的硅酸盐矿物所组成，常称为硅铝层；大洋地壳（下地壳）主要为富硅镁的硅酸盐矿物所组成，常称为硅镁层，因其比重较大，主要分布洋底地壳或大陆地壳的下部。,地幔 莫霍面与古登堡面之间的一个巨厚圈层。其厚度约2850km。平均密度为4.5g/cm3。根据次级界面可分为上地幔和下地幔。上地幔：从莫霍面至地下1000km，平均密度为3.5g/cm3，成分主要为含铁镁质较多的超基性岩。在上地幔的上部100-350km存在一个由柔性物质组成的圈层称为软流圈（地震波的低速带）。此

10、软流圈之上的固态岩石圈层称为岩石圈。下地幔：地下1000km至古登堡面之间，平均密度增大为5.1g/cm3，成分仍为含铁镁质的超基性岩，但铁质的含量增加。,地核 古登堡面以下地心的一个球体。半径为3480km。地核的密度达9.9812.5g/cm3。其成分以铁镍物质为主根据其状态可分为外核和内核。外核：物态为液态，其成分除铁镍外，可能还有碳、硅和硫；内核：物态为固态，其成分为铁镍物质。,地球形成以后的圈层结构变化,地球圈层结构的形成以地球的化学分异作用为主，其中包括重力分异等物理过程。, 在地球演化过程中需要很大的热能，其地球内部热能主要来源于： （1）地球形成初期的收缩作用，变势能为热能。

11、（2）放射性元素蜕变作用释放出大量的热能，如：238U 206Th + 8 4He。 （3）陨石撞击地球，动能转变为热能。,地球层圈分异：由于热能作用，地球内部固体物质发生部分熔融（岩浆），重者下沉，轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，形成了地球的层圈结构。Fe-Ni构成了地核，轻的硅酸盐成分形成地幔和地壳。现在的水圈、大气圈实际上是由地球内部放气作用而形成的。,早期的地球 地球的历史将近有46亿年，而地球上已知最老岩石的年龄约为41-42亿年。有5亿年历史没有留下岩石记录。因此地球的起源及其地壳、大气与大洋的早期演化历史，只能根据间接证据去推断。根据研究4.1-4.2Ga岩石是通过地表流水搬运沉积的产物。据此推断，地球层圈分异作用在4.2Ga前已经