第二章 行星地球簡史

1、第二章第二章 行星地球簡史行星地球簡史混沌初開 - 宇宙始于大爆炸？混沌初開，乾坤始奠。輕清者上浮為天，重濁者下凝為地”。 作為自然科學研究的具體對象，宇宙是一個有限的客觀存在。這樣一個宇宙，應該有它的開端。20世紀初，天文學家斯里弗爾（V.M. Slipher, 1875-1969)n在觀測銀河系外的仙女座大星云時，取得15個星系的光譜資料，經過研究，發(fā)現其中13個正在以每秒數十萬米的高速退行，即離開我們愈來愈遠。1929年，哈勃(E.P. Hubble,1889-1953)n根據觀測到的河外星系正在退行的資料，提出：一個星系退行的速度和它與我們(地球)的距離成正比，即離得愈遠退行愈快。這個

2、發(fā)現告訴我們，我們周圍的星系正在四散離開，也可以說我們已知的宇宙正在膨脹。愛因斯坦(Albert Einstien, 1879-1955)在1916年提出的廣義相對論n演繹出宇宙在膨脹的理論。n哈勃的發(fā)現被認為是對這些理論的驗證。以后的天文觀測繼續(xù)有新的發(fā)現，證明宇宙在膨脹，曾測到有的河外星系之間，正以每小時2,500,000km的速度在拉開距離。比利時天文學家勒梅特(G.E.Lematre,1894-1966)1927年就提出：n宇宙為什么會膨脹呢？n 膨脹的宇宙會不會是爆炸的產物呢？BIG BANGBIG BANG大爆炸大爆炸n宇宙的全部物質，當初都集中在一個“原始原子”(或稱宇宙蛋)里，

3、異常緊密n溫度約1032K，絕對溫度1億億億億度n顯然這只能維持極其暫短的平衡，一旦平衡破壞，就發(fā)生大爆炸，原始原子迅速膨脹，逐漸擴展成為我們的宇宙BIG BANGBIG BANG大爆炸大爆炸現在認識：n大爆炸后1秒鐘，溫度降到1010K，粒子間的強相互作用、弱相互作用、電磁力和引力開始分開。n 在高溫下處于基本粒子狀態(tài)的物質，隨著溫度的降低，聚合成各類原子約在大爆炸后50 - 100萬年n首先由電子和質子合成氫原子n接著是氦原子也大量生成了n隨后其他所有元素的原子從輕到重依次聚合而成爆炸后100萬年到20億年n逐步形成各類天體星系怎麼能證明150億年前發(fā)生過這樣的大爆炸呢？n爆炸形成的宇宙一

4、直在降溫，恒星是在降到40000K以下時才開始形成n現在測得最老的星系的年齡都只有100多億年，符合這個理論的推斷。n特別是蓋莫夫(G.Gamow，1904-1968)預言：在大爆炸的特殊宇宙背景下產生出來的微波輻射，至今還存在于宇宙空間中，其溫度應已降低到只有絕對溫度幾度。彭茲亞斯(A.A.Penzias,1933- )和威爾遜(R.W.Wilson,1936- )發(fā)現：n1964年，威爾遜山上一臺高靈敏度的射電天文望遠鏡，在各個方向都測得一種3K的微波背景輻射。大爆炸理論得到了有力的支持。n為此他們得到了1978年的諾貝爾物理學獎金。其它證據：n現在測得的不同天體上氦的豐度，即它在天體中的

5、含量，一般都達到30%左右，僅僅太陽上那種氫合成氦的作用，是不能造出這么多氦的，而大爆炸能做到n因爆炸而使星系間的距離拉開，更已是熟知的事實n天文觀測中已多次記錄到超新星爆炸n另外新近得到的兩個黑洞撞擊爆炸的信息，都可以作為佐證。二、太陽系的起源太陽系出現哲學家康德(Immanuel Kant, 1724-1804) 星云說星云說n在獻給普魯士國王的自然通史和天體理論中假定：最初“整個宇宙的物質都處于分散的狀態(tài)，并由此造成一種完全的混沌”，“ 構成我們太陽系的星球的物質，在太初時都分解為基本微粒，充滿整個的宇宙空間，現在已形成的星體就在這空間中運轉”。他認為是萬有引力的作用，使這些原始的彌漫物

6、質逐漸分別凝聚，形成了太陽系內的各天體。拉普拉斯(P.S.Laplace, 1749-1827)n在一本科普讀物宇宙體系論述的附錄中，對太陽系的形成，作出了自己的解釋并廣為流傳n拉普拉斯雖沒看到過康德的書，但他自己獨立提出的見解卻與康德大同小異，而且充實了星云說n旋轉星云析出圓環(huán)，圓環(huán)一次又一次地被分出來，并分別凝聚結成行星，行星周圍的衛(wèi)星也有著類似的形成過程n星云中心部分則收縮成為太陽（不知熱核反應）星云說不能解決太陽系中許多問題n太陽和行星的單位質量的角動量，應該是一樣的，但實際上相差近100倍20世紀初期中期n災變說n潮汐說n俘獲說（蘇聯(lián) 斯密特：原始太陽隨銀河系公轉，在經過有大量星際物

7、質彌漫的空間時，將它們吸引在周圍，成為行星的物質來源的，用外來物質形成的行星，角動量可以和太陽不同1942年瑞典物理學家阿爾文(H.O.G.Alfven, 1908- )n太陽可以通過磁場的作用，把自己的一部分角動量轉移給形成行星和衛(wèi)星的云團n電磁場的作用能說明在太陽系形成的過程中，從中心拋出物質的質量雖不多，但帶走的角動量可以很多三、地球的誕生n天，積氣也；無處無氣。地，積塊（土）也；充塞四虛，無處無塊” 列子 天瑞n天是氣的集合，地是土的集合 古代賢哲的卓識2020世紀世紀3030年代末天文觀測證實年代末天文觀測證實n在銀河系中，有許多氣體和塵埃存在n這些氣體主要是氫和氦。氣體在這些星際物

8、質中，按質量計要占到98%左右n塵埃里主要是水、甲烷和氨等液體、氣體凍結而成的固體微粒；還有少量二氧化硅及其與金屬離子結合形成的化合物等固體材料。固體物質不及2%，顆粒細微，半徑只有0.0001(萬分之一)厘米左右，微粒彌漫在整個太空中地球的成分n氫和氦的含量都很少n而是鐵占了第一位，其次是氧和硅，還有很多鎂、鎳和鋁等金屬n地球的化學組成為何如此不同？形成地球的這團冷星云，在萬有引力的作用下，物質的微粒互相吸引，形成小的團塊，也叫做星子n星子再互相吸引，大的吃掉小的，不斷碰撞、不斷吸積，直至成為地球和其他行星的前身。這個原始的地球是一個比今日的地球大得多的塵埃的集合體，大致沿著今天的地球軌道自

9、轉地球的形成n在太陽系內，由于接受的太陽輻射多，溫度高，輕的氣體被輻射到遠處，散失到太陽系的外部 遠處構成類木行星遠處構成類木行星n近太陽的地區(qū)，以塵埃中的固體物質為主，化學組成當然和原來的星云有顯著的不同（鐵、硅、鎂、氧為主） 近處構成類地行星近處構成類地行星原始地球內的“ 星子”n受到引力的作用向中心聚集，體積逐漸縮小，物質的密度越來越大n收縮不是無限的，因為物質還要受到自轉所產生的慣性離心力的作用，而離心力是要隨著體積縮小，導致自轉速度加快而增大，當離心力增大到能抵消引力時，就達到平衡冷冷 熱熱 冷冷n塵埃向中心聚集的過程中，由于引力的作用，體積收縮，壓力加大，會釋放出大量的熱量。放射性

10、元素的蛻變和隕石的撞擊，也都要放出熱能n盡管原始的星云物質是冷冷的，后來地球曾經歷過一個高溫時期，至少是局部物質處於熱熱的熔融狀態(tài)，以后收縮停止，才又逐漸冷冷卻凝結地球圈層的形成n重力的作用與高溫的影響，地球里面的物質發(fā)生部分熔融，使重者下沉，輕者上浮，出現了大規(guī)模的物質分異和遷移，形成了從里向外，物質密度從大到小的圈層結構n鐵和鎳比較重，含量也多，分離出來成為液態(tài)的金屬向中心聚集 地核地核n較輕的硅酸鹽物質形成地幔地幔和地幔之上的地殼地殼n氣體和水等輕物質被吸引在固體球的外圍四、現代地球環(huán)境的逐漸形成n46億年前，整個地球的溫度都很高，表面也接近于熔融的狀態(tài)n各類巖石的塊體（以星子為基礎）各

11、不相屬地分布在地球的表面n后來構成大陸的地殼冥古宙（4638億年前）n大約在40億年前后，越來越多的較輕的硅酸鹽成分遷移到上部冷凝n地球終于有了一個雖然還比較薄、但已是連續(xù)完整的地殼原始地球表層(27/02/26)n一些處于熔融狀態(tài)的物質向上擠入地殼中凝結，或涌出地面，表現為廣泛分布的火山活動n另一方面物質又在向下流動，把上面已固結的地殼撕裂，并將其部分碎塊拽向深處，使它再次熔入地幔物質之中n與此同時，薄弱的地殼還在隕石的撞擊下，形成大量隕擊坑最初的大氣成分主要是水蒸汽，還有一些二氧化碳、甲烷、氨、硫化氫和氯化氫等n直到距今38億年前，地球上的大氣仍是缺氧和呈酸性的n 隨著時間的流逝，地球上的

12、溫度逐漸降低（低于100C），大氣中的水蒸汽陸續(xù)凝結出來，形成了廣闊的海洋，海水中也缺少氧，而且也含有許多酸性物質太太 古古 宙（宙（38382525億年前）億年前）38億年前，海洋中開始有了生命的活動。從出現最原始的原核細胞生物-藍綠藻，32-29億年前能起光合作用的藻類開始繁殖，后者能消耗二氧化碳，產生出氧氣大約到27億年前，游離氧在海洋中出現。綠色植物的大量繁殖，更加快了大氣和海洋環(huán)境的變化，使其有利于高等喜氧生物的發(fā)展元 古 宙（距今18億年前到6億年前）n大陸不斷擴大n大氣變成以二氧化碳為最多n海洋里的生物最多的是菌藻植物，它們的活動促成二氧化碳和海水中的鈣鎂等元素相結合，碳酸鈣鎂等

13、物質沉淀在海底，使大氣中的二氧化碳減少，氧和氮的含量逐步增加顯生宙 古生代，中生代，新生代最近6億年來n大氣圈的成分漸漸接近目前的狀況n大氣和海洋中，原為酸性的水在與巖石相互作用時，將硅酸鹽物質中的鈉，鉀，鈣，鎂，鋁，鐵等金屬元素奪取出來，形成多種鹽類（以氯化物為主），海水的成分也慢慢變成與今天相近的了n在這種環(huán)境中，生命加速發(fā)展，海洋中的生物迅速繁榮起來（化石證據較多）五、怎樣知道地球的過去？n那些發(fā)生在億萬年以前的往事，你們是怎樣知道的？n地球的歷史就記錄在巖石身上相對地質年代相對地質年代n早就劃分出生物地層的地質年代n但僅能排出相對先后，無法確定具體的時間中國學者朱熹中國學者朱熹(113

14、0-1200)(1130-1200)發(fā)現發(fā)現n嘗見高山有螺蚌殼，或生石中，此石即水中之物。下者卻變而為高，柔者變而為剛。n此事思之至深，有可驗者。 化石。意大利著名的藝術家、知識淵博的學者達芬奇(Leonado Da VinciI，1452 -1519)n亞平寧山脈上發(fā)現的海生介殼化石，本是生活在海濱的生物，是河流帶來泥土把它們掩埋，并且滲入了它們的內部。n他推論，后來這里的地勢升高，所以這些海洋生物的遺體就會出現在山上。地層層序律地層層序律n1669年，出生于哥本哈根的斯特諾(Nicolaus Steno，1638-1686)總結出在巖層之間，存在著如下的規(guī)律：巖層在形成后，如未受到強烈的地

15、殼運動的影響而顛倒原來的位置，應該是先沉積的在下，后沉積的在上，一層壓一層，保持近于水平的狀態(tài)，延展到遠處才漸漸尖滅。 圖圖41 地層層序律示意圖地層層序律示意圖A原始水平層理原始水平層理 B傾斜層理傾斜層理 C倒轉地層倒轉地層1、2、3、4示地層從老到新示地層從老到新譬如積薪，后來居上” 中國古代賢哲n遺憾的是，僅將它用來說明人事，并不用它去觀察山野間的巖石，他們甚至也未想到過需要對自然作些什么觀察。因為“ 天下之物本無可格者，其格物之功，只在身心上做”；因為“ 豈但禽獸草木，雖天地也與我同體，鬼神也與我同體?！?明，王守仁,英國 郝頓(James Hutton,1726-1797)n根據自

16、己在野外考察的實際經驗和前人的認識，把時空統(tǒng)一的地質思維，形象地表述為 “ 在地球現在的構造在地球現在的構造中，可以看到舊世界的廢墟中，可以看到舊世界的廢墟” (地球論,1785)萊伊爾(Charles Lyell,1797-1875)n用更豐富的事實論證和闡明了在這條被概括為“ 將今論古將今論古”，或稱現實主義原現實主義原理理( (ActualismActualism) )n他的巨著地質學原理使地質學真正成為一門科學，波滾湖底、風積層理、土地龜裂、雨打沙灘英國運河工程師史密斯(William Smith,1769-1832)，化石層序律化石層序律n在開鑿運河的過程中獲得了大批化石，經過他的整

17、理研究n發(fā)現每一地層各有其特定的化石n他據此制訂出世界上第一張最有系統(tǒng)的地層表 圖圖42 地層對比及綜合柱狀圖地層對比及綜合柱狀圖法國古生物學家居維葉(D.G.Cuvier,1769-1832)器官相關律器官相關律n在研究了大量動物器官的構造與機能以後，發(fā)現每一種形態(tài)的動物機體都是一個統(tǒng)一的體系，這個體系的每個局部在構造和機能上都是互相適應的，因此了解局部就能推知其整體。同位素年齡同位素年齡n相對地質年代之表示了地質事件或地層的先后順序,即使是利用古生物化石組合的方法,也只能了解它們的大致時代。n要更確切、更全面地了解地球的發(fā)展歷史，除了知道各種地質事件發(fā)生的先后順序及大致時代外，必須定量的知

18、道地質事件究竟發(fā)生在距今多少年的時候？延續(xù)的時間有多長？地質事件的劇烈程度或作用速率怎樣等？盧瑟福(L.Rutherford,1871-1937)n1903年提出放射性元素的原子會蛻變，即自行分裂為另外的原子，并在以后的實驗中得到證實。放射性元素在自然界中自動地放射出（粒子）、（電子）或（電磁輻射量子）射線而蛻變成另一種新元素。各種放射性元素都有自己恒定的蛻變速度，通常用半衰期（T1/2）表示。半衰期是指母體元素的原子數蛻變一半所需要的時間。 t=1/ln（1+D/N） t-時間 -蛻變常數 =0.639/ T1/2 D-字體同位素總量 N-母體同位素總量 N、D之可用質普儀測出放射性元素蛻變母體同位素 子體同位素 半衰期 238U -206Pb + 8 4He 45.1 億年 235U -207Pb + 7 4He 7.13 億年 232Th -208Pb + 6 4He 139 億年 87Rb -87Sr 500 億年 40K - 40Ar 14.7 億年 40Ar -39Ar 150Sm -144Ndn同位素方法測定的年齡，除了用鈾鉛來測定礦物巖石的年齡外n還有多種同位素法n（K - Ar,40Ar /39Ar, Rb - Sr, Sm - Nd