第十八章地球的起源和演化 地球是属于太阳系中的一颗行星,在了解地球起源及演化前先了解太阳 系的起源 51大阳系及地球起源 太阳系 太阳系是由于位于中心的太阳(恒星)及其周围的行星、卫星、小行星、 慧星及流星体组成的 水星 金星 类地行星:密度大、体积小、自转慢 地球 慢、卫星少,硅酸盐物质多。 火星 太阳系九大行星{木星 土星类木行星:密度小、体积大、自转快、卫星多 天王星}气体云层组成 海王星 冥王星—一物性近地球,运转周期类似木星 地球仅是九大行星之一,站在地球的角度,我们认为太阳系是很大。但 太阳系只是银河中的一个小星系,象太阳这样的恒星,有1400多亿。1/ 1400亿 宇宙是无限的,任何一部分,在宇宙中都是眇小的,地球已经是小的不 能再小了。在了解地球起源时,把目光放开来,从整个太阳系起源谈起。 二、太阳系及地球的起源 要了解太阳系的起源两点做不到 ①无法用实验手段来再造重演其形成过程,与其它自然科学不同 2即然太阳系是无限宇宙中一部分,宇宙又永远是运动的,所以一定 在宇宙中有正在形成的类似太阳系的星系,但现有的科学手段无法获得 因此唯的方法是先以假说的来解释、推测太阳系及地球的起源。假说并 非凭空臆造,应该建立在能观察了解的一些太阳系特征的基础上,当假说能 够较圆满解释特征时,可能成为科学理论。 (-)太阳系的特征
1 第十八章 地球的起源和演化 地球是属于太阳系中的一颗行星，在了解地球起源及演化前先了解太阳 系的起源。 §1.太阳系及地球起源 一、太阳系 太阳系是由于位于中心的太阳（恒星）及其周围的行星、卫星、小行星、 慧星及流星体组成的。 地球仅是九大行星之一，站在地球的角度，我们认为太阳系是很大。但 太阳系只是银河中的一个小星系，象太阳这样的恒星，有 1400 多亿。１／ １４００亿 宇宙是无限的，任何一部分，在宇宙中都是眇小的，地球已经是小的不 能再小了。在了解地球起源时，把目光放开来，从整个太阳系起源谈起。 二、太阳系及地球的起源 要了解太阳系的起源两点做不到： ① 无法用实验手段来再造重演其形成过程，与其它自然科学不同。 ② 即然太阳系是无限宇宙中一部分，宇宙又永远是运动的，所以一定 在宇宙中有正在形成的类似太阳系的星系，但现有的科学手段无法获得。 因此唯一的方法是先以假说的来解释、推测太阳系及地球的起源。假说并 非凭空臆造，应该建立在能观察了解的一些太阳系特征的基础上，当假说能 够较圆满解释特征时，可能成为科学理论。 （一）太阳系的特征 太阳系九大行星 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 冥王星 类地行星：密度大、体积小、自转慢 慢、卫星少，硅酸盐物质多。 类木行星：密度小、体积大、自转快、卫星多， 气 体云层组成。 ——物性近地球，运转周期类似木星
1.行星运行的轨道接近圆形,并且几乎位于同一轨道平面上。即近 圆性和共面性的特征。(水星、冥王星轨道有较大倾斜) 2.(除金星外行星绕太阳、卫星绕行星,均逆时针方向(同向性) 3.太阳质量占998%而角动量仅占2%,角动星的配与各星体的质量 很不协调 4.类地、类木行星的差别。 5.组成元素的一致性(其它星球已知的元素,地球上都有 太阳系与行星同时形成的假说 1)“微粒假说”1755年德哲学家康德提出 运用万有引力的原理 不能解释太阳系的角动量来源,分配。 (2)“星云假说”1796年法数学家拉普拉斯提出 灼热的气体星云冷却收缩而成 能解释角落动力来源,但无法解释分配。且探知宇宙中,收缩不是由 于冷却而是吸引力,收缩过程中温度不是降低而是升高 1、2假说尽管有不足之处,但这种思想认为宇宙是由稀薄物质逐渐凝 聚,运动发展而的理论是可取的。以上主要考虑力学方面问题,都无法解释 角动量分配问题。本世纪中的一些天体物理学家开始用宇宙中电磁效应来解 释太阳系角动量分配问题。 太阳形成的初期就有很强的磁物热粒反应向外发出电磁辐射,将能量传 给外围圆盘。圆盘聚集成行星,使行星具大角动量。 (3)1977戴文贵 原始星云—吸引收缩—转速加快—抛出星云团(行星)→太阳系 太阳形成早于行星的假说 先有太阳,行星是太阳周围的星际物质受太阳引力聚集而成。先有太 阳,当其它恒星与太阳相遇,吸引碰撞下来原太阳上的物质形成行星。 不能解释,同物质性。 §2.地球圈层构造的形成与演化 现代地球上已知最老的岩石年龄至少38亿年 格陵兰(花岗岩)3787年 南非(片岩)387年 38亿年前已有原始的地壳 具推测地球的年龄(星际物质聚集成地球)为46亿年,距今46亿年-38 亿年是地球各圈层形成的时期
2 １. 行星运行的轨道接近圆形，并且几乎位于同一轨道平面上。即近 圆性和共面性的特征。（水星、冥王星轨道有较大倾斜） ２．(除金星外)行星绕太阳、卫星绕行星，均逆时针方向（同向性） ３．太阳质量占 99.8%而角动量仅占 2%，角动星的配与各星体的质量 很不协调。 ４．类地、类木行星的差别。 ５．组成元素的一致性（其它星球已知的元素，地球上都有）。 太阳系与行星同时形成的假说 （１）“微粒假说” 1755 年 德 哲学家康德提出 运用万有引力的原理 不能解释太阳系的角动量来源，分配。 （２）“星云假说”1796 年 法 数学家拉普拉斯提出 灼热的气体星云冷却收缩而成。 能解释角落动力来源，但无法解释分配。且探知宇宙中，收缩不是由 于冷却而是吸引力，收缩过程中温度不是降低而是升高。 １、２假说尽管有不足之处，但这种思想认为宇宙是由稀薄物质逐渐凝 聚，运动发展而的理论是可取的。以上主要考虑力学方面问题，都无法解释 角动量分配问题。本世纪中的一些天体物理学家开始用宇宙中电磁效应来解 释太阳系角动量分配问题。 太阳形成的初期就有很强的磁物热粒反应向外发出电磁辐射，将能量传 给外围圆盘。圆盘聚集成行星，使行星具大角动量。 （３）1977 戴文贵 原始星云——吸引收缩——转速加快——抛出星云团（行星）→太阳系 太阳形成早于行星的假说 先有太阳，行星是太阳周围的星际物质受太阳引力聚集而成。先有太 阳，当其它恒星与太阳相遇，吸引碰撞下来原太阳上的物质形成行星。 不能解释，同物质性。 §2. 地球圈层构造的形成与演化 38 亿年前已有原始的地壳 具推测地球的年龄（星际物质聚集成地球）为 46 亿年，距今 46 亿年—38 亿年是地球各圈层形成的时期。 格陵兰（花岗岩） 37.87 年 南非（片岩） 38.7 年 现代地球上已知最老的岩石年龄至少 38 亿年
各圈层的形成 1.熔融和重力分异 原始地球 收缩放热 (均质体温度 部分熔融重力分异∫铁镍一地核 较低)46亿—放射性素 年前 (2000°c) 铁镁硅酸盐—地幔 放射热 40亿年前 表层冷却一地壳 原始的地壳很薄,不断受地幔物质的作用,改造形成现今地壳 下面讲述原始地壳形成后的演化过程 2.地壳的演化 包亚契柯夫划分 1°原始地壳阶段:35亿年前,很薄的地壳被水覆盖,大量陨石星撞 击冷却,挥发散发 物质成分:超基性喷发岩,玄武岩,花岗状岩(变质岩 2°陆核形成阶段:35-25亿年之间 大量海底岩浆喷发、堆积、露岀水面—陆核 3°地盾阶段25-15亿年 周围碎屑沉积(外力地质作用) 核边缘扩大形成面积较大的 陆核飞火山、岩浆活动(酸性岩浆) 稳定的地块(克拉通地盾) 克拉通—陆核边缘扩大形成面积较大稳定的地块。 4°大陆阶段:15-2.5亿年(包括一整个古生代时间)岩浆活动主 要在褶皱带中与构造运动有密度关系。 5°陆-大洋阶段:2.5亿年到—现在 古大陆(联合古陆解体)分裂,板块构造理论解释 二、地球外部圈层的形成与演化 在地球内部圈层演化形成的同时,便有外部圈层的形成和演化,包括大 气圈、水圈子、生物圈,三圈的形成与内部圈层有关,本身之间亦有密切的 关系。 1.大气圈 原始地壳形成期(35亿年),广泛的火山活动(喷发),大量气体喷出形 成原始大气圈(H2O、CO2、CO、NH3、CH4)
3 一、各圈层的形成 1. 熔融和重力分异 原始的地壳很薄，不断受地幔物质的作用，改造形成现今地壳 下面讲述原始地壳形成后的演化过程 2. 地壳的演化 包亚契柯夫划分 １°原始地壳阶段：35 亿年前，很薄的地壳被水覆盖，大量陨石星撞 击冷却，挥发散发。 物质成分：超基性喷发岩，玄武岩，花岗状岩（变质岩）。 ２°陆核形成阶段：35-25 亿年之间 大量海底岩浆喷发、堆积、露出水面——陆核。 ３°地盾阶段 25-15 亿年 克拉通——陆核边缘扩大形成面积较大稳定的地块。 4°大陆阶段： 15—2.5 亿年（包括一整个古生代时间）。岩浆活动主 要在褶皱带中与构造运动有密度关系。 ５°大陆－大洋阶段：2.5 亿年到——现在 古大陆（联合古陆解体）分裂，板块构造理论解释。 二、 地球外部圈层的形成与演化 在地球内部圈层演化形成的同时，便有外部圈层的形成和演化，包括大 气圈、水圈子、生物圈，三圈的形成与内部圈层有关，本身之间亦有密切的 关系。 1. 大气圈： 原始地壳形成期（３５亿年），广泛的火山活动（喷发），大量气体喷出形 成原始大气圈（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯ、ＮＨ３、ＣＨ４） 收缩放热 放射性元素 放射热 部分熔融 （2000°C） 40 亿年前 重力分异 铁镍—地核 铁镁硅酸盐—地幔 表层冷却—地壳 原始地球 （均质体温度 较低）46 亿 年前 陆核 周围碎屑沉积（外力地质作用） 火山、岩浆活动（酸性岩浆） 核边缘扩大形成面积较大的 稳定的地块（克拉通地盾）
紫外线 2H2O 2H2+02 2Co+O2→2cO2 H2+O2 CH4+2O2→CO2+2H2O H 2+02 H2↑ e82参成岩(83糟物光合作用,减少 因此,大气圈成分以O2、N2O为主 2、水圈 原始大气圈中H2O(气)冷凝降到原始地壳上,形成原始水圈 3、生物圈 生物圈的形成,实际上是涉及到生命的起源问题,虽然人类极力想搞 清,但生命的形成目前仍是自然科学中的一大难题。 有一点比较清楚,生命的合成、生物的出现是在大气圈、水圈形成之 后的事件,是在气圈、水圈演化到适合生命生存的条件下形成的 构成有机质细胞的主要元素:C、H、O、N、P、S….在原始气 圈均有。一般认为生命是由于这些元素,在特定的环境条件下,包括(紫外 线作用、宇宙射线作用、雷电轰击、陨石撞击)通过一系列极复杂的化学反 应之后合成的。最初生命源于海洋,已是共众接受的 特定环境 无机元素 简单的有机物 复杂有机物 复杂的生物界 (动植物) (32亿年前)南非 生物演化总趋势 我们把保留在各年代的地层中的生物化石按时间的先后顺序作比较发 从单间到复杂 从单细胞到多细胞 发展是不可逆过程(绝灭的属种绝不会 垒竺 雷本山η诗不可种+距
4 2 、水圈： 原始大气圈中Ｈ２Ｏ（气）冷凝降到原始地壳上，形成原始水圈。 3 、生物圈 生物圈的形成，实际上是涉及到生命的起源问题，虽然人类极力想搞 清，但生命的形成目前仍是自然科学中的一大难题。 有一点比较清楚，生命的合成、生物的出现是在大气圈、水圈形成之 后的事件，是在气圈、水圈演化到适合生命生存的条件下形成的。 构成有机质细胞的主要元素：Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｐ、Ｓ… … 在原始气 圈均有。一般认为生命是由于这些元素，在特定的环境条件下，包括（紫外 线作用、宇宙射线作用、雷电轰击、陨石撞击）通过一系列极复杂的化学反 应之后合成的。最初生命源于海洋，已是共众接受的。 生物演化总趋势 我们把保留在各年代的地层中的生物化石按时间的先后顺序作比较发 ２Ｈ２Ｏ ２Ｈ２＋Ｏ２ ２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ ４ＮＨ３＋３Ｏ２→２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ Ｈ２＋Ｏ２ Ｈ２＋Ｏ２ 紫外线 Ｈ２↑ ＣＯ２ 参于成岩（CaCO3）,和植物光合作用，减少 因此，大气圈成分以Ｏ２、Ｎ２O 为主 简单的有机物 （32 亿年前）南非 无机元素 特定环境 复杂有机物 复杂的生物界 （动植物） 从单间到复杂 从单细胞到多细胞 从低等到高等 发展是不可逆过程（绝灭的属种绝不会 重新出现）正因为这不可逆性，才可作
现:从最初原始的生命开始,直到人类高等动物岀现整个生物界的演化再现 明显的趋势。 内外动力地质作用对地球的改造 地球的内、外圈先后形成之后,整个地球的演化主要表现为内、外动力 地质作用对地球进行的长期不断的改造。 在整个地质历史中,内、外动力地质作用是始终不断地进行着,此起彼 伏,时强时弱,一时期内动力地质作用强,另一时期又是外动力强,总的说 来以內动力地质作用居于主导的支配地位。 由于外动力地质作用对地表改造的趋势是削高真低,(风化、剥蚀、搬运、 沉积、成岩),如无其它因素干扰,当高地削平,洼地满填之后,外动力地质 作用将消失(无太大的高低起伏 内动力地质作用(构造运动、岩浆活动、变质作用、地震作用)的发生 方面打破了地表趋平的趋势。产生新起伏,同时,控制了地表地形的分布。 也就控制了各地表的外动力地质作用的类型 因此说:内动力地质作用居于主导的支配地位,内动力地质作用与外动 力地质作用相互联系共同作用,朔造着地壳的特征 1.地壳上升与剥蚀作用 一般说,地形越高,起伏越大的地区,剥蚀作用也越强烈。地壳上升越 快,持续时间越长,地形越高。 相邻地区地壳运动差异性越大,则地形起伏越大 地壳上升速度与剥蚀速度是控制地形高低的关键,当上升速度大于剥蚀 速度时,地形愈来愈高,上升速度小于剥蚀速度时地形愈来愈低。此地壳上 升运动与剥蚀作用有对立统一的关系 2.地壳下降与沉积作用 地表上的低洼处是沉积作用的主要场所。 沉积物的在低洼处堆积的趋势是将其填平,理论上说填平之后便不再有 沉积作用。要发生长期持续的沉积作用形成厚、大的沉积,必须伴随有地壳 下降,只在沉积盆地内伴随有地壳下降,才能保证盆地的维持,沉积作用的 继续进行。 地壳下降速度与沉积作用速度之间的相互关系是形成沉积岩类型及厚度 的决定因素(并非所有下降快的地区,沉积厚度最大,与沉积物来源有关 3.壳长期稳定与准平原的形成 地壳无明显的上升、下降,这时,长期外动力削高填低(河流为主的外
5 现：从最初原始的生命开始，直到人类高等动物出现整个生物界的演化再现 明显的趋势。 三、内外动力地质作用对地球的改造 地球的内、外圈先后形成之后，整个地球的演化主要表现为内、外动力 地质作用对地球进行的长期不断的改造。 在整个地质历史中，内、外动力地质作用是始终不断地进行着，此起彼 伏，时强时弱，一时期内动力地质作用强，另一时期又是外动力强，总的说 来以内动力地质作用居于主导的支配地位。 由于外动力地质作用对地表改造的趋势是削高真低，（风化、剥蚀、搬运、 沉积、成岩），如无其它因素干扰，当高地削平，洼地满填之后，外动力地质 作用将消失（无太大的高低起伏）。 内动力地质作用（构造运动、岩浆活动、变质作用、地震作用）的发生 一方面打破了地表趋平的趋势。产生新起伏，同时，控制了地表地形的分布。 也就控制了各地表的外动力地质作用的类型。 因此说：内动力地质作用居于主导的支配地位，内动力地质作用与外动 力地质作用相互联系共同作用，朔造着地壳的特征。 １．地壳上升与剥蚀作用 一般说，地形越高，起伏越大的地区，剥蚀作用也越强烈。地壳上升越 快，持续时间越长，地形越高。 相邻地区地壳运动差异性越大，则地形起伏越大。 地壳上升速度与剥蚀速度是控制地形高低的关键，当上升速度大于剥蚀 速度时，地形愈来愈高，上升速度小于剥蚀速度时地形愈来愈低。此地壳上 升运动与剥蚀作用有对立统一的关系。 2．地壳下降与沉积作用 地表上的低洼处是沉积作用的主要场所。 沉积物的在低洼处堆积的趋势是将其填平，理论上说填平之后便不再有 沉积作用。要发生长期持续的沉积作用形成厚、大的沉积，必须伴随有地壳 下降，只在沉积盆地内伴随有地壳下降，才能保证盆地的维持，沉积作用的 继续进行。 地壳下降速度与沉积作用速度之间的相互关系是形成沉积岩类型及厚度 的决定因素（并非所有下降快的地区，沉积厚度最大，与沉积物来源有关）。 3． 壳长期稳定与准平原的形成 地壳无明显的上升、下降，这时，长期外动力削高填低（河流为主的外
动力)使山地变成缓坡状平原,称准平原 整个地球的演化主要就表现为内、外动力对地球的长期、永无休止的改造
6 动力）使山地变成缓坡状平原，称准平原。 整个地球的演化主要就表现为内、外动力对地球的长期、永无休止的改造
