第3講-地球科學(xué)概論-地球的演化-新

1、第 3 講,地球的演化,申文斌，鄧洪濤，徐新禹，羅佳武漢大學(xué)2014.4.30,1,內(nèi)容提要,0 引言1 地球的起源與演化2 地球的年齡3 地球上生命的起源4 地球的幾種典型場(chǎng)5 地球膨脹問(wèn)題討論,2,0 引言,,3,0 引言,起源研究的歷史關(guān)于地球起源問(wèn)題探索，已有很長(zhǎng)歷史。關(guān)于天地萬(wàn)物起源的“創(chuàng)世說(shuō)”（古埃及人的創(chuàng)世說(shuō)、基督教的七天創(chuàng)世說(shuō)或基督教的“上帝創(chuàng)世說(shuō)” 、眾生創(chuàng)世說(shuō)等）。其中流傳最廣的要算是《圣經(jīng)》中的創(chuàng)

2、世說(shuō)。在人類歷史上，創(chuàng)世說(shuō)曾在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)占據(jù)了統(tǒng)治地位。東方（中國(guó)）神話：盤古開天辟地,4,0 引言,起源研究的歷史自1543年波蘭天文學(xué)家哥白尼提出了日心說(shuō)以后，天體演化的討論突破了宗教神學(xué)的桎梏，開始了對(duì)地球和太陽(yáng)系起源問(wèn)題的真正科學(xué)探討。,5,0 引言,起源研究的歷史1644年，笛卡兒（R.Descartes）在他的《哲學(xué)原理》一書中提出了第一個(gè)太陽(yáng)系起源的學(xué)說(shuō)，他認(rèn)為太陽(yáng)、行星和衛(wèi)星是在宇宙物質(zhì)渦流式的運(yùn)動(dòng)中形成的

3、大小不同的旋渦里形成的。布封（G.L.L. de Buffon）于1745年在《一般和特殊的自然史》中提出第二個(gè)學(xué)說(shuō)，認(rèn)為：一個(gè)巨量的物體，假定是彗星，曾與太陽(yáng)碰撞，使太陽(yáng)的物質(zhì)分裂為碎塊而飛散到太空中，形成了地球和行星。事實(shí)上由于彗星的質(zhì)量一般都很小，不可能從太陽(yáng)上撞出足以形成地球和行星的大量物質(zhì)的。,6,0 引言,起源研究的歷史在布封之后的200年間，人們又提出了許多學(xué)說(shuō)，這些學(xué)說(shuō)基本傾向于笛卡爾的假說(shuō)，即太陽(yáng)和行星由同一原始?xì)?/p>

4、體云逐漸凝縮而成。也有類似于布封觀點(diǎn)，即認(rèn)為行星物質(zhì)是因?yàn)槟撤N原因從太陽(yáng)中分離出來(lái)的。,7,0 引言,起源研究的歷史1755年，著名德國(guó)古典哲學(xué)創(chuàng)始人康德（I. Kant）提出"星云假說(shuō)"。1796年，法國(guó)著名數(shù)學(xué)和天文學(xué)家拉普拉斯（P. S. Laplace）在他的《宇宙體系論》一書中，繼承性地發(fā)展了太陽(yáng)系起源的星云假說(shuō)。"康德－拉普拉斯學(xué)說(shuō)"。整個(gè)十九世紀(jì)，這種學(xué)說(shuō)在天文學(xué)中一直占

5、有統(tǒng)治的地位。,8,0 引言,起源研究的歷史本世紀(jì)初，由于康德－拉普拉斯學(xué)說(shuō)不能對(duì)太陽(yáng)系的越來(lái)越多的觀測(cè)事實(shí)作出令人滿意的解釋，致使分離學(xué)（災(zāi)變）說(shuō)再度流行起來(lái)。1900年，美國(guó)地質(zhì)學(xué)家張伯倫（T. C. Chamberlain）提出了一種太陽(yáng)系起源的學(xué)說(shuō)，稱為“星子學(xué)說(shuō)”。摩耳頓（F. R. Moulton）發(fā)展了這個(gè)學(xué)說(shuō)，他認(rèn)為曾經(jīng)有一顆恒星運(yùn)動(dòng)到離太陽(yáng)很近的距離，使太陽(yáng)的正面和背面產(chǎn)生了巨大的潮汐，從而拋出大量物質(zhì)，逐漸凝聚

6、成了許多固體團(tuán)塊或質(zhì)點(diǎn)，稱為星子，進(jìn)一步聚合成為行星和衛(wèi)星。,9,0 引言,起源研究的歷史著名的中國(guó)天文學(xué)家戴文賽先生于1978年提出了一種新的太陽(yáng)系起源學(xué)說(shuō)（新星云說(shuō)），他認(rèn)為整個(gè)太陽(yáng)系是由同一原始星云形成的。這個(gè)星云的主要成份是氣體及少量固體塵埃。原始星云一開始就有自轉(zhuǎn)，并同時(shí)因自引力而收縮，形成星云盤，中間部分演化為太陽(yáng)，邊緣部分形成星云并進(jìn)一步吸積演化為行星。,10,0 引言,起源的研究歷史可能的結(jié)論：形成原始地球的物質(zhì)

7、主要是上述星云盤的原始物質(zhì)，其組成主要是氫和氦，它們約占總質(zhì)量的98％此外，還有固體塵埃和太陽(yáng)早期收縮演化階段拋出的物質(zhì),11,1 地球的起源與演化,原始地球的形成關(guān)于形成原始地球的方式，盡管還存在很大的推測(cè)性，但大部分研究者的看法與戴文賽先生的結(jié)論一致，即在上述星云盤形成之后，由于引力的作用和引力的不穩(wěn)定性，星云盤內(nèi)的物質(zhì)，包括塵埃層，因碰撞吸積，形成許多原小行星或稱為星子，又經(jīng)過(guò)逐漸演化，聚成行星，地球亦在其中誕生。難點(diǎn)：最

8、初的緩慢旋轉(zhuǎn) 【見(jiàn)第一講】,12,1 地球的起源與演化,原始地球的形成形成地球的冷卻星云里，在萬(wàn)有引力作用下，物質(zhì)微粒的相互吸引形成星子。星子再相互吸引，不斷碰撞，直到成為地球和其它行星的前身。,13,1 地球的起源與演化,原始地球的形成引力吸積作用使地球星云越來(lái)越小，密度增大，轉(zhuǎn)速越來(lái)越快；溫度增加【練習(xí)：試計(jì)算溫度增量】。,14,1 地球的起源與演化,原始地球的形成引力吸積、元素的放射性衰變、隕石的撞擊等，使地球內(nèi)部溫度不斷升

9、高，熱輻射壓力增大，與引力作用達(dá)到平衡，原始地球形成。,15,1 地球的起源與演化,原始地球的形成根據(jù)估計(jì)，原始地球的形成所需時(shí)間約為1千萬(wàn)年至1億年，離太陽(yáng)較近的行星（類地行星），形成時(shí)間較短，離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的行星，形成時(shí)間越長(zhǎng)，甚至可達(dá)數(shù)億年?！狙芯空n題：估算上述過(guò)程所化時(shí)間】問(wèn)題：為何離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，形成時(shí)間越長(zhǎng)？,16,1 地球的起源與演化,形成原始地球的物質(zhì)初期，主要來(lái)自與上述星云盤的原始物質(zhì)，其組成主要是氫和氦，它們約占總質(zhì)

10、量的98％。此外，還有固體塵埃和太陽(yáng)早期收縮演化階段拋出的物質(zhì)。在地球的形成過(guò)程中，由于物質(zhì)的分化作用，不斷有輕物質(zhì)隨氫和氦等揮發(fā)性物質(zhì)分離出來(lái)，并被太陽(yáng)光壓和太陽(yáng)拋出的物質(zhì)帶到太陽(yáng)的外部，因此，只有重物質(zhì)或土物質(zhì)凝聚起來(lái)逐漸形成了原始的地球，并演化為今天的地球。 【因此，離開太陽(yáng)越遠(yuǎn)，輕物質(zhì)越多】,17,1 地球的起源與演化,原始地球溫度原始地球到底是高溫的還是低溫，科學(xué)家們也有不同的說(shuō)法。從古老的地球起源學(xué)說(shuō)出發(fā)，不少科學(xué)家曾相

11、信地球起初是一個(gè)熔融體，經(jīng)過(guò)幾十億年的地質(zhì)演化歷程，地球緩慢放出熱量現(xiàn)代研究比較傾向地球低溫起源的學(xué)說(shuō)。地球的早期狀態(tài)究竟是高溫的還是低溫的，目前還存在著爭(zhēng)論 【無(wú)謂爭(zhēng)論】：從什么時(shí)間點(diǎn)起算？這是關(guān)鍵！,18,1 地球的起源與演化,原始地球溫度無(wú)論是高溫起源說(shuō)還是低溫起源說(shuō)，地球曾經(jīng)有較高溫度，然后總體上經(jīng)歷由熱變冷的階段。由于地球內(nèi)部含有熱源，因此這種變冷過(guò)程極其緩慢，直到今天地球仍處于繼續(xù)變冷的過(guò)程中。問(wèn)題1：有辦法估算

12、原始地球溫度嗎？問(wèn)題2：根據(jù)地球原始溫度，有辦法估算地球年齡嗎？【Kelvin: 30Ma】,19,1 地球的起源與演化,地球的演化形成原始地球之后，由于整個(gè)地球溫度較高，地球處于熔融狀；重元素下沉，輕元素上浮，物質(zhì)開始分異，逐漸呈現(xiàn)由外到里密度呈增大趨勢(shì)：地心密度最大，地表最小。,20,1 地球的起源與演化,圈層的演化和形成原始地球內(nèi)部增溫達(dá)到熔融狀態(tài)時(shí)，親鐵元素比重大而下沉形成鐵鎳地核，親石元素上浮組成地幔和地殼。更輕的液態(tài)和

13、氣態(tài)成分，通過(guò)火山噴發(fā)溢出地表形成原始大氣圈、水圈。 地球初始圈層分異的時(shí)間約在42億年前,21,1 地球的起源與演化,圈層的演化和形成地表（地殼）冷卻較快，變?yōu)楣虘B(tài)地殼下面的物質(zhì)，處于冷卻與高溫之間，物質(zhì)處于半熔融狀態(tài)，也即形成地幔地幔以下，是液態(tài)地核溫度逐漸降低，在20億年前，接近地球中心區(qū)域，相比于能使物質(zhì)融化的溫度，壓力逐漸占據(jù)上風(fēng)，故形成固態(tài)內(nèi)核,22,2 地球元素及物質(zhì)構(gòu)成,1 原子：由原子核和電子組成；…2 同

14、位素: 中子數(shù)變化 【同位素含量不同，可提供物質(zhì)變化信息】3 原子核衰變：若干種衰變形式 【根據(jù)衰變規(guī)律和含量測(cè)定，可估測(cè)年齡】,23,2 地球元素及物質(zhì)構(gòu)成,A. 在氯化納〈石鹽〉中，納原子有 11個(gè)電子，拿出一個(gè)給氯 ，納變成Na +而使氯變成Cl - 。這樣，每一個(gè)元素在其外層都有 8個(gè)電子了，這是一種限性氣體構(gòu)型。B. 石鹽，NaCI 模型顯示了相對(duì)的離子大小，氯大一些。C. 顯示原子的中心配置的擴(kuò)展圖。每一個(gè)納原子圍繞

15、著六個(gè)氯原子，同樣，每一個(gè)氯原子圍繞著六個(gè)納原子。,24,2 地球元素及物質(zhì)構(gòu)成,,25,2 地球元素及物質(zhì)構(gòu)成,水分子的偶極結(jié)構(gòu)。有兩個(gè)氫原子的上半球具有等效正電荷，相對(duì)的下半球帶有等效負(fù)電荷。,26,2 地球的年齡,地球年齡（絕對(duì)地質(zhì)年代）的估算方法剝蝕法 【誤差很大】剝蝕法通過(guò)測(cè)定海水中某種成份的總量及其年輸入量就可獲得海水的年齡。放射性衰變方法 【較精確】,27,2 地球的年齡,衰變法是1904年英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福首先提出

16、原子核放射性衰變?cè)怼７派湫栽乜偸且圆皇芡饨鐪囟?、壓力條件影響的以一定速率衰變?yōu)樗N元素, 如238U經(jīng)過(guò)45億年后其一半原子數(shù)蛻變?yōu)?06Pb，故稱謂半衰期從樣品（巖石、礦物、毛發(fā)、木材等）中測(cè)出衰變前后有關(guān)元素的含量，就可以獲得母體物質(zhì)形成年齡的數(shù)據(jù)。,28,幾種衰變形式：Alpha 衰變：放出一個(gè)氦核Beta 衰變：放出電子電子俘獲衰變：吸收電子,2 地球的年齡,2 地球的年齡,30,,2 地球的年齡,31,幾種證據(jù)

17、地球上已知最早的巖石（石英巖）出露于澳大利亞西南部，根據(jù)其中所含礦物-鋯石-的形成年齡測(cè)定，證明已有41～42億年歷史。太陽(yáng)系內(nèi)的流星、隕石和宇宙塵是太陽(yáng)星云原始物質(zhì)的殘留部分。已知的形成年齡都在46億年左右，可代表太陽(yáng)系早期的年齡。月球上的巖石（月巖）經(jīng)過(guò)20世紀(jì)70年代人類登月考察，已經(jīng)測(cè)得最老的月巖年齡為46億年，在 41億年前月球內(nèi)部發(fā)生過(guò)一次較大規(guī)模的增溫熔融作用。問(wèn)題：如何測(cè)定地球年齡？,2 地球的年齡,衰變律:

18、 任意時(shí)刻 t 時(shí)的原子核數(shù) N （子體數(shù)）與原始核數(shù)N0 （母體數(shù)）之間有如下關(guān)系：如果知道原始母體同位素的豐度，再測(cè)出現(xiàn)時(shí)子體元素的豐度，則可根據(jù)上式估算出年齡。【通常，問(wèn)題比較復(fù)雜；將在更高級(jí)的后續(xù)課程“地球物理學(xué)原理”中講述】,32,3 地球上生命的起源,化學(xué)演化到生命演化,33,生命：核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)組成的多分子體系，它具有不斷自我更新、繁殖后代以及對(duì)外界產(chǎn)生反應(yīng)的能力,原子：由原子核和電子組成；…,3 地球上生命的

19、起源,原子核：質(zhì)子和中子…,生命構(gòu)建歷程,分子：由不同原子構(gòu)成；…,多分子體系：由不同分子構(gòu)成；…,水分子的偶極結(jié)構(gòu)。有兩個(gè)氫原子的上半球具有等效正電荷，相對(duì)的下半球帶有等效負(fù)電荷。,3 地球上生命的起源,A. 在氯化納〈石鹽〉中，納原子有 11個(gè)電子，拿出一個(gè)給氯 ，納變成Na +而使氯變成Cl - 。這樣，每一個(gè)元素在其外層都有 8個(gè)電子了，這是一種限性氣體構(gòu)型。B. 石鹽，NaCI 模型顯示了相對(duì)的離子大小，氯大一些。C.

20、顯示原子的中心配置的擴(kuò)展圖。每一個(gè)納原子圍繞著六個(gè)氯原子，同樣，每一個(gè)氯原子圍繞著六個(gè)納原子。,3 地球上生命的起源,生命構(gòu)建歷程,3 地球上生命的起源,生命的基本特征生命的基本特征在于蛋白體（類似于原生質(zhì)的核酸－蛋白體）具有新陳代謝能力，這種能力是任何非生命所不具備的，生命是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最高形式。原核蛋白體,37,3 地球上生命的起源,生命起源機(jī)制星際空間雖然廣泛存在有機(jī)分子, 但從無(wú)生命的簡(jiǎn)單有機(jī)物單分子（氨基酸等）→復(fù)雜有機(jī)物

21、大分子（類蛋白質(zhì)等）→有新陳代謝生命現(xiàn)象的多分子體系（以蛋白質(zhì)、核酸為基礎(chǔ)），需要經(jīng)過(guò)由化學(xué)演化、生命演化的連續(xù)序列和重大飛躍。,38,3 地球上生命的起源,生命起源的時(shí)間地球上最古老生命記錄（化石）：38億年（球狀單細(xì)胞細(xì)菌化石）,39,棒狀細(xì)菌化石,球狀細(xì)菌化石,4 地球的幾種典型場(chǎng),重力場(chǎng),40,4 地球的幾種典型場(chǎng),地電磁場(chǎng)：麥克斯韋方程溫差效應(yīng)導(dǎo)致凈電荷；物質(zhì)本身并非絕對(duì)電中性，存在大量離子由于凈電荷的運(yùn)動(dòng)（各種運(yùn)動(dòng)包括

22、地球自轉(zhuǎn)攜帶運(yùn)動(dòng)），產(chǎn)生磁場(chǎng)磁場(chǎng)的作用又會(huì)引起電荷重新分布，產(chǎn)生新磁場(chǎng)…,41,4 地球的幾種典型場(chǎng),地磁場(chǎng),42,4 地球的幾種典型場(chǎng),地?zé)釄?chǎng):衰變能，太陽(yáng)輻射能，重力分異能，隕石碰撞能,43,5 地球膨脹問(wèn)題討論,如果地球不斷冷卻，似乎不會(huì)膨脹巖漿不斷涌出，地殼四分五裂，也許成為地球膨脹的證據(jù)？如果引力常數(shù) G 不斷衰減（Dirac 1937），地球應(yīng)該膨脹 地震也許能引起地球膨脹？大地測(cè)量觀測(cè)表明地球正在膨脹（Shen

23、 et al. 2011）元素重新分布會(huì)導(dǎo)致膨脹（Shen et al. 2012）,44,5 地球膨脹問(wèn)題討論,大地測(cè)量觀測(cè)表明地球正在膨脹（Shen et al. 2011） 地球膨脹報(bào)告 Shen W B et al., 23 Apr 2014【演示PPT】,45,思考及練習(xí)：1 地球是如何起源的？2 地球?yàn)楹螘?huì)分層？3 在地球演化的早期，地球?yàn)楹螘?huì)收縮？4 假定地球總質(zhì)量不

24、變，地球從半徑為 2R 的均值圓球收縮為半徑為 R 的均值圓球，地球溫度升高多少？5 你用什么辦法能較準(zhǔn)確地估算地球的年齡？闡述基本原理6 你用什么辦法可估算出地球的膨脹率？*,總結(jié),本講主要講授了地球的起源、演化，分層結(jié)構(gòu)，地球年齡估算等。重點(diǎn)地球起源——星云假說(shuō)地球初始狀態(tài)及演化過(guò)程地球的分層及其機(jī)理地球生命的起源地球年齡的估算方法下一講（第4講）： 地球的形狀和自轉(zhuǎn),47,wbshen@sgg.whu.edu.c