行星地球简史课件.ppt

地球科学前沿Advances in Earth Science,山东大学,山东大学地球科学精英班,2014年2月,主讲教师：薛翊国,第三章 行星地球简史,一 太阳系的起源 二 地球的形成 三 地质年代,主要内容,太阳系内的天体在物质组成、结构、起源和演化历史等方面都有一定的相似性和可类比性，地球的形成和发展与太阳系、银河系甚至宇宙星体都有密切的联系。 地球的起源涉及到宇宙与太阳系的形成演化。,一 太阳系的起源,1.1、宇宙起源 20世纪，有两种“宇宙模型”比较有影响。一是稳态理论，二是大爆炸理论。20世纪20年代后期，爱德温哈勃(Edwin Hubble)发现了“红移现象”，说明宇宙正在膨胀；60年代中期，阿尔诺彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特威尔逊(Robert Wilson)发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。现在，大爆炸理论广泛地为人们所接受。,1.1 宇宙起源,1.1.1 稳态理论 若干世纪以来，很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外，基本没有什么变化。Thomas Gold，Herman Bondi及Fred Hoyle于40年代后期提出，物质正以恰当的速度不断创生着，这一创生速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。,1.1 宇宙起源,1.1.2 宇宙大爆炸宇宙始于大爆炸的证据：20世纪初天文学家斯里非尔（V. M. Slipher）在观察银河系外的大星云（仙女座）时，据光谱资料分析研究，推断河外星云(系)具有高速退行的运动规律，即离地球行星越来越远。继而，哈勃在1929年据观测的资料也提出了河外星系运行的速度和它离我们的距离成正比，即“红移现象”。这些事实支持了周围的星系正以高速四散离开，即宇宙正在膨胀。宇宙膨胀是发生在星际团之间的无垠空间。膨胀的原因大爆炸（Big Bang）。,1.1 宇宙起源,“红移现象”：发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝光谱线移动，称为蓝移；当星体远离观察者时，见到的星光谱线向频率低的红光谱线移动，称为红移。大爆炸：比利时天文学家勒梅特（G.E.Lemwtre）和美国物理学家伽莫夫(1927年)。最初宇宙的全部物质是集中“原始原子”里，它异常紧密、温度极高（1032 K）。 由于温度极高，基本离子间不能保持永久平衡，一旦失去平衡，就会发生大爆炸，原始原子迅速膨胀，在逐渐降温的过程中渐次演变成今天的宇宙（15Ga（10亿年）(星云、星系等)。在高温下为基本粒子的物质，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10Ga后才产生的。,1.1 宇宙起源,宇宙大爆炸,陨石坑的形成过程图解,1. 2 陨击作用,1. 2 陨击作用,月球表面的陨石坑在大的陨石坑中发育小的陨石坑，说明受到多次陨石撞击,美国亚利桑那州的Winslow陨石坑,1. 2 陨击作用,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况（1）太阳恒星太阳的直径是地球直径的109倍，体积为地球体积的130万倍，质量为地球质量的33.3万倍，密度却只有地球密度的1/4。太阳表面温度6000，呈一个炽热的气体球。太阳能来源于太阳中心的热核反应。,3、太阳系的起源,（2）行星类地行星：包括水星、金星、地球和火星。 其特点：距太阳近，体积小，质量小，密 度大，自转慢，卫星少。类木行星：包括木星、土星、天王星和海王 星。其特点：距太阳远，体积大，质量 大，密度小，自转快，卫星多，多具星 环。冥王星具类地行星的某些特征。,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,太阳系主要天体的特征,类地行星的表层物质大多由火山岩组成，化学成分为硅酸盐为主。 有的行星表面有碎屑物覆盖。水星表面覆盖有一层与月球表土层相似的浮土。金星表面有一层厚度不到1m的覆盖物。 木星的表层物质较为特殊，由氢、氦液体组成液态海。,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,火星表面的峡谷,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,延伸长约 5000km,火星表面的“运河网”被认为是过去某个时期流水（或液体）作用的结果,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,火星上最大的火山也可能是太阳系最大的火山,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,类木行星和类地行星的内部构造示意图,木星和土星,天王星和海王星,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,类地行星,类 木 行 星,（3）卫星卫星是绕行星运行而本身不发光的天体。迄今为止，已发现火星有卫星2个，木星有6个，土星有23个，天王星有5个，海王星有2个，冥王星有1个。月球是地球唯一的卫星。月球的直径大致是地球的3/11，质量约为地球的1/80。月球上没有河流、湖泊和海洋，也没有大气，基本处于真空状态。,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,月球表面景观,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,地球与月球内部构造比较月球的内部结构与地球类似，具有月壳、月幔和月核，但月核无内核与外核之分。,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,（4）小天体太阳系的小天体包括小行星、彗星、流星体和陨星等。,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,小行星：位于火星和木星之间数以千计的石质天体，最大直径1003km。彗星：一种质量较小、形态特异的天体，彗核、彗发和彗尾组成，成分主要是碳、氢 、氧组成的挥发分，含有镁、铁、硅酸盐岩石碎片和尘埃。流星：原来绕太阳运行的小天体受地球引力影响改变了轨道，穿过地球大气时因燃烧而发光的天体。流星没有烧完剩余的部分掉到地面就成为陨石。,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,彗星的结构 为了显示彗核的细节，彗核被放大了数千倍,3、太阳系的起源,3. 1 太阳系天体地质概况,太阳系及地球起源的基本问题关于太阳系和地球起源的理论都应该对太阳系的下述特征给予合理的解释。（1）所有行星公转的运行轨道都接近圆形，并且几乎位于同一轨道平面上（共面性），各轨道平面与太阳赤道面交角均小于7，只有冥王星轨道面交角大些（179）。（2）几乎全部行星都以同一方向绕日运行，而且还各自以同一方向绕轴自转（同向性），大部分卫星也是作同方向旋转，只有金星和天王星及部分卫星呈反向旋转或呈大角度斜向旋转。（3）各行星与太阳间的距离具有近似于几何级数递增的规律。,3、太阳系的起源,3. 2 太阳系及地球起源的基本问题,（4）太阳占太阳系总质量的99.86%，可是角动量（C=mr2)只占太阳系角动量的1%，其99%的角动量分配在行星、卫星、彗星和小行星中。（5）类地行星距太阳近，体积小，质量小，密度大，自转慢，卫星少；类木行星距太阳远，体积大，质量大，密度小，自转快，卫星多，多具星环。（6）太阳系内其它天体上已知的元素在地球上都存在，即太阳系具有组成物质的统一性。行星的内部结构一般均可分为星壳、星幔和星核3个圈层，即内部结构具有相似性。（7）根据月球、地球和陨石样品中所含放射性元素的同位素年龄测定，得出了46亿年的相近年龄，推测它可能代表了行星的形成年龄，即太阳系行星的形成年龄具有一致性。,3、太阳系的起源,3. 2 太阳系及地球起源的基本问题,太阳系形成至今至少有46亿年，然而，太阳系的成因尚属探讨中的问题。太阳系由何而来？至今已有五十多种不同的学说或假设，但就其实质而言，大致可归结为两大阵营灾变说和星云说。灾变说的实质是认为太阳系是在一次突然巨大的剧变中产生的，太阳先于行星和卫星形成；星云说则主张整个太阳系包括太阳都是由同一块星云物质凝聚而成的。从最近半个世纪的发展看来，星云说取得了很大的进展，占据了主导地位。,3、太阳系的起源,3. 3 太阳系及地球起源,a、灾变说 最早的灾变说是法国动物学家布丰（George Louis Leclerc de Buffon）在1745年提出的。他认为太阳形成后，曾经有一个彗星“掠碰”（擦边而过）到它，同时碰出了不少物质。这些物质一部分落回太阳，一部分脱离太阳的引力飞走了，还有一部分则绕太阳旋转起来，后来形成了行星。金斯（1916）认为，当另一颗恒星接近太阳时，在太阳表面产生了很大的潮。正面的潮很大，物质被经过的恒星拉出来，形成一个长条。在这一恒星离开太阳时，长条内形成了所有的行星。长条的中部较粗，两头较细，所以，由中部物质形成的木星、土星较大。,3、太阳系的起源,3. 3 太阳系及地球起源,b、星云说-康德(I.Kant)的星云说(微粒假说) 1755年在他的宇宙发展史概论提到：宇宙中散布着微粒状的弥漫物质，在万有引力作用下，大微粒吸引小微粒，并逐渐聚集成团块状；团块形成后，其引力更大，聚集加速，结果在物质团的中心形成巨大的球体，即原始太阳。原始太阳形成以后周围的微粒在太阳的引力作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。,3、太阳系的起源,3. 3 太阳系及地球起源,康德“星云说”,3、太阳系的起源,3. 3 太阳系及地球起源,b、星云说拉普拉斯(P.S.Laplace) 1796年在宇宙体系论述中提出了星云假说：原始太阳是炽热的球状星云，直径有太阳系直径那么大，缓慢旋转。由于散热收缩而自转加速，致使赤道离心力增大，星云变扁，当离心力超过向心力时分离出一个环，以后又相继分离出多个环，各环绕太阳运转时逐渐吸聚成行星。热的行星以同相方式形成卫星。现在已知木星、土星和天王星都有这样的环，人们把这种环称为拉普拉斯环。,3、太阳系的起源,3. 3 太阳系及地球起源,C 霍伊尔-沙兹曼的“磁耦合假说”, 50亿年以前,，主要由H、He和尘埃组成的巨大星云中形成了一个旋转着的圆盘； 圆盘收缩到一定程度后沿赤道方向抛出一个次级圆盘，次级圆盘的质量仅占星云总质量的1%，剩余部分逐渐凝聚成为太阳。 冷的、密度较大的次级圆环部分进一步聚集成为类地行星； 逃逸的密度较小的次级圆环部分聚集成为类木行星。,3、太阳系的起源,3. 3 太阳系及地球起源,说明：星云说不能成功解释太阳、行星的单位质量的角动量相等的问题（实际相差100倍）。因此又出现了灾变说、潮汐说，其代表是英国的天文学家金斯（J. H. Jeans）在1916年提出潮汐说：外来恒星作用。现在认为，在太阳系中不仅有万有引力存在，而且还存在许多物理作用现象。所以太阳系是一个非常复杂的系统。这些作用，如H2合成He时发生的热核聚变；通过磁场作用，行星离开太阳时可以带走很大的角动量等等。,3、太阳系的起源,3. 2 太阳系及地球起源,从康德-拉普拉斯星云说可知：地球的形成就是星云物质冷却收缩的过程，但天文和地质研究结果却不支持这些观点，相反认为形成太阳系的星云物质是冷的气体和尘埃。均匀吸积说/不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得多，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作用，地球密度不断加大，当地球引力与离心力大致相等时，地球不再收缩，处于平衡状态，即形成了今天的地球。,二、地球的形成,二、地球的形成,2.1 地球内部圈层的形成一般认为原始地球是均质的固体，主要由硅、氧、铁、镁等的化合物组成。地球开始是冷的，由于三个原因逐渐变热：小星体碰撞动能转换成的热能、压缩导致势能转变成热能和放射性元素蜕变热能。,（a）早期地球很可能成分均一。（b）早期地球被加热发生熔融，密度大于硅酸盐的Fe、Ni向地心集中，同时轻的硅酸盐上升形成地幔和地壳(重浊者下沉为地，清轻者上浮为天)。（c）通过这种大规模的物质分异和迁移形成了内部具有分异的地球，致密的Fe和Ni组成了地核，富Fe、Mg的硅酸盐组成了地幔，而硅铝酸盐质的地壳则发育大陆和大洋盆地。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。,二、地球的形成,地球内部圈层的形成过程示意图,早期的地球 地球有近46亿年的历史。地球上已知最老岩石的年龄约为41-42亿年。有5亿年的历史空白。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。据研究4.1-4.2Ga岩石是沉积岩（已变质）。因此地球层圈分异作用应在4.2Ga前已经完成。那么，地球是如何演变到现在的呢？,二、地球的形成,2. 2 地球(壳)的演化,4.6-3.8Ga BP. (冥古宙，HD, Hedean): 地表温度高，由于冷却作用形成薄的地壳，同时地幔物质的分异作用使轻的硅酸盐物质迁移到上部冷凝逐渐形成了包围地幔的薄的连续地壳。此时，地壳薄且受到陨石撞击，火山作用广泛。在火山作用过程中，释放出大量的气体、水蒸气，为形成大气圈、水圈提供了物质基础。此时的水体呈酸性（H2O、CO2、NH4、H2S、HCl 等）。,二、地球的形成,2. 2 地球(壳)的演化,3.8-2.5 Ga BP.(太古宙，Archaeozoic）陆核形成阶段：对于陆壳的形成、生长、再循环的模式目前仍存在争议。38亿年时，水体中开始有生命的活动，原始的原核细胞生物-菌类、蓝绿藻出现。随后大量能行光合作用的藻类大量繁衍，大约在太古宙晚期（27亿年），游离氧在海洋中出现，绿色藻类大量繁殖加快了海洋环境的变化，为高等喜氧生物的发展提供了条件。,二、地球的形成,2. 2 地球(壳)的演化,二、地球的形成,2. 2 地球(壳)的演化,2.5-0.57Ga BP.(Proterozoic)地壳变动强烈，克拉通化阶段(2.5-1.5Ga)，在1.1-0.7Ga形成了Rodinia超大陆，之后又开始裂解。在中-新元古宙时期，大气中以CO2 为主，并与海水中的Ca、Mg相结合沉淀，消耗了CO2，增加了O2, N2 。到6亿年以前，大气成分渐渐地趋近于现今组成。,古生代0.57-0.25Ga BP.(Paleozoic)地壳变动强烈，板块活动十分明显，在约250Ma全球各大陆又一次聚集拼合成泛大陆(Pangea),二、地球的形成,2. 2 地球(壳)的演化,中生代（250-65Ma,Mesozoic）地壳变动异常强烈，板块活动更为明显。,二、地球的形成,2. 2 地球(壳)的演化,新生代（65-0Ma, Cenozoic）地壳变动非常强烈,二、地球的形成,2. 2 地球(壳)的演化,地球的未来（现在-未来50Ma）地壳水平和垂直变动仍然非常强烈,二、地球的形成,2. 2 地球(壳)的演化,二、地球的形成,2. 2 地球(壳)的演化,二叠纪以来全球大陆重建二叠纪形成的联合古陆或泛大陆（Pangaea）在三叠纪解体成为北方的劳亚古陆和南方的冈瓦纳古陆，其间向东的开口就是特提斯。,2.3 大气圈和水圈的形成与演化（1）地球形成初期的大气圈可能比较稀薄，主要由H、He组成，密度小，在地球上存在的时间不长；（2）地球的排气活动（主要通过火山活动）使大气圈在冥古宙晚期至太古宙时以水汽（H2O）和CO2为主，其次为N2、HCl、HF、NH3、CH4、H2S。温室效应使地表温度高达70；（3）太古宙末期大气中的O2仅占5.5%，其形成过程与上层大气中的H2O受紫外线照射分解有关。生物在光合作用过程中制造的O2逐渐增加了大气圈中O2的含量，元古宙末期达12%，中生代初18%，现今20.94%；（4）元古宙时期大量的CO2以碳酸盐岩的形式被固定下来；（5） O2与NH3化合产生N2和H2O，使大气圈中N2含量增加。 水圈伴随着地壳和气圈的形成而出现。,二、地球的形成,2.4 生命的起源与生物演化（1）生命是从无机界中产生的。由无机物转化到由有机物组成的原始生命，再由原始生命发展成细胞是一个复杂的物理化学和生物化学作用过程；（2）生物由简单到复杂，由低级到高级，由水生到陆生，适应能力越来越强，最后形成繁盛的生物圈；（3）太古宙时地球上的有机界处于萌芽状态，太古宙晚期在海洋里已出现最原始的生物；（4）元古宙藻类空前繁盛，元古宙晚期出现低等多细胞的海绵动物和腔肠动物；晚古生代出现陆生植物；泥盆纪出现两栖类，二叠纪末出现爬行类。中生代晚期鸟类和哺乳类出现；（5）上新世至第四纪初出现了最早的人类。,二、地球的形成,生物演化又可以分为早期和晚期两个阶段。早期生物的演化为细胞演化阶段；晚期生物演化为组织器官演化阶段，或系统演化阶段。细胞演化阶段是从原始的单细胞生命产生到后生生物的大量出现，持续了25亿年以上。后生生物出现后，生物进入系统演化阶段，在大约7亿年的时间内，数以千万计的物种经历了形成和绝灭的演化历程。,动 物 进 化 图 解,二、地球的形成,2.4 生命的起源与生物演化,人 类 进 化 图 解,二、地球的形成,2.4 生命的起源与生物演化,生 物 演 化 表,地球历史梗概,二、地球的形成,History of Earth,地质体年龄可分为相对年龄和绝对年龄。相对年龄：据化石及地层的上下关系来确定。化石是指古代生物在生命活动过程中或死亡之后经过石化作用而成的。石化作用是指生物的遗体遗迹经历了矿物质的充填作用或交代作用或炭化作用，从而成为矿物成分的化石。,三、地质年代,各种化石标本,1亿年前蝴蝶化石(赤金堡),化石层序律：指特定环境中的每一地层中包含特定的化石及其组合； 器官相关律：根据生物局部的残片可推知生物的身体结构和生活习性。此外岩石的相对年龄还服从地层层序律,先沉积的一定位于地层的下部，后沉积的一定位于地层的上部-地层层序律。沉积过程中如果没有干扰因素，则原始的沉积地层一定是连续的、水平的原始连续-水平定律。,绝对年龄：根据放射性同位素蜕变原理来测定的岩石或矿物的年龄。主要方法。 地质年代单位与年代地层单位：根据年代先后把地质历史进行系统性的编年，得出了地质年代表。地质年代单位与年代地层单位相对应：宙-宇、代-界、纪-系、世-统。,地质年代,END,