1、第 3 講,地球的演化,申文斌，鄧洪濤，徐新禹，羅佳武漢大學2014.4.30,1,內容提要,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5 地球膨脹問題討論,2,0 引言,,3,0 引言,起源研究的歷史關于地球起源問題探索，已有很長歷史。關于天地萬物起源的“創(chuàng)世說”（古埃及人的創(chuàng)世說、基督教的七天創(chuàng)世說或基督教的“上帝創(chuàng)世說” 、眾生創(chuàng)世說等）。其中流傳最廣的要算是《圣經》中的創(chuàng)

2、世說。在人類歷史上，創(chuàng)世說曾在相當長的一段時期內占據了統治地位。東方（中國）神話：盤古開天辟地,4,0 引言,起源研究的歷史自1543年波蘭天文學家哥白尼提出了日心說以后，天體演化的討論突破了宗教神學的桎梏，開始了對地球和太陽系起源問題的真正科學探討。,5,0 引言,起源研究的歷史1644年，笛卡兒（R.Descartes）在他的《哲學原理》一書中提出了第一個太陽系起源的學說，他認為太陽、行星和衛(wèi)星是在宇宙物質渦流式的運動中形成的

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》中提出第二個學說，認為：一個巨量的物體，假定是彗星，曾與太陽碰撞，使太陽的物質分裂為碎塊而飛散到太空中，形成了地球和行星。事實上由于彗星的質量一般都很小，不可能從太陽上撞出足以形成地球和行星的大量物質的。,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說，這些學說基本傾向于笛卡爾的假說，即太陽和行星由同一原始氣

4、體云逐漸凝縮而成。也有類似于布封觀點，即認為行星物質是因為某種原因從太陽中分離出來的。,7,0 引言,起源研究的歷史1755年，著名德國古典哲學創(chuàng)始人康德（I. Kant）提出"星云假說"。1796年，法國著名數學和天文學家拉普拉斯（P. S. Laplace）在他的《宇宙體系論》一書中，繼承性地發(fā)展了太陽系起源的星云假說。"康德－拉普拉斯學說"。整個十九世紀，這種學說在天文學中一直占

5、有統治的地位。,8,0 引言,起源研究的歷史本世紀初，由于康德－拉普拉斯學說不能對太陽系的越來越多的觀測事實作出令人滿意的解釋，致使分離學（災變）說再度流行起來。1900年，美國地質學家張伯倫（T. C. Chamberlain）提出了一種太陽系起源的學說，稱為“星子學說”。摩耳頓（F. R. Moulton）發(fā)展了這個學說，他認為曾經有一顆恒星運動到離太陽很近的距離，使太陽的正面和背面產生了巨大的潮汐，從而拋出大量物質，逐漸凝聚

6、成了許多固體團塊或質點，稱為星子，進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天文學家戴文賽先生于1978年提出了一種新的太陽系起源學說（新星云說），他認為整個太陽系是由同一原始星云形成的。這個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，并同時因自引力而收縮，形成星云盤，中間部分演化為太陽，邊緣部分形成星云并進一步吸積演化為行星。,10,0 引言,起源的研究歷史可能的結論：形成原始地球的物質

7、主要是上述星云盤的原始物質，其組成主要是氫和氦，它們約占總質量的98％此外，還有固體塵埃和太陽早期收縮演化階段拋出的物質,11,1 地球的起源與演化,原始地球的形成關于形成原始地球的方式，盡管還存在很大的推測性，但大部分研究者的看法與戴文賽先生的結論一致，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，星云盤內的物質，包括塵埃層，因碰撞吸積，形成許多原小行星或稱為星子，又經過逐漸演化，聚成行星，地球亦在其中誕生。難點：最

8、初的緩慢旋轉 【見第一講】,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，在萬有引力作用下，物質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越小，密度增大，轉速越來越快；溫度增加【練習：試計算溫度增量】。,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，使地球內部溫度不斷升

9、高，熱輻射壓力增大，與引力作用達到平衡，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估計，原始地球的形成所需時間約為1千萬年至1億年，離太陽較近的行星（類地行星），形成時間較短，離太陽越遠的行星，形成時間越長，甚至可達數億年?！狙芯空n題：估算上述過程所化時間】問題：為何離太陽越遠，形成時間越長？,16,1 地球的起源與演化,形成原始地球的物質初期，主要來自與上述星云盤的原始物質，其組成主要是氫和氦，它們約占總質

10、量的98％。此外，還有固體塵埃和太陽早期收縮演化階段拋出的物質。在地球的形成過程中，由于物質的分化作用，不斷有輕物質隨氫和氦等揮發(fā)性物質分離出來，并被太陽光壓和太陽拋出的物質帶到太陽的外部，因此，只有重物質或土物質凝聚起來逐漸形成了原始的地球，并演化為今天的地球。 【因此，離開太陽越遠，輕物質越多】,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，科學家們也有不同的說法。從古老的地球起源學說出發(fā)，不少科學家曾相

11、信地球起初是一個熔融體，經過幾十億年的地質演化歷程，地球緩慢放出熱量現代研究比較傾向地球低溫起源的學說。地球的早期狀態(tài)究竟是高溫的還是低溫的，目前還存在著爭論 【無謂爭論】：從什么時間點起算？這是關鍵！,18,1 地球的起源與演化,原始地球溫度無論是高溫起源說還是低溫起源說，地球曾經有較高溫度，然后總體上經歷由熱變冷的階段。由于地球內部含有熱源，因此這種變冷過程極其緩慢，直到今天地球仍處于繼續(xù)變冷的過程中。問題1：有辦法估算

12、原始地球溫度嗎？問題2：根據地球原始溫度，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，物質開始分異，逐漸呈現由外到里密度呈增大趨勢：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部增溫達到熔融狀態(tài)時，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，處于冷卻與高溫之間，物質處于半熔融狀態(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，相比于能使物質融化的溫度，壓力逐漸占據上風，故形成固態(tài)內核,22,2 地球元素及物質構成,1 原子：由原子核和電子組成；…2 同

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

15、著六個氯原子，同樣，每一個氯原子圍繞著六個納原子。,24,2 地球元素及物質構成,,25,2 地球元素及物質構成,水分子的偶極結構。有兩個氫原子的上半球具有等效正電荷，相對的下半球帶有等效負電荷。,26,2 地球的年齡,地球年齡（絕對地質年代）的估算方法剝蝕法 【誤差很大】剝蝕法通過測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年英國物理學家盧瑟福首先提出

16、原子核放射性衰變原理。放射性元素總是以不受外界溫度、壓力條件影響的以一定速率衰變?yōu)樗N元素, 如238U經過45億年后其一半原子數蛻變?yōu)?06Pb，故稱謂半衰期從樣品（巖石、礦物、毛發(fā)、木材等）中測出衰變前后有關元素的含量，就可以獲得母體物質形成年齡的數據。,28,幾種衰變形式：Alpha 衰變：放出一個氦核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

17、地球上已知最早的巖石（石英巖）出露于澳大利亞西南部，根據其中所含礦物-鋯石-的形成年齡測定，證明已有41～42億年歷史。太陽系內的流星、隕石和宇宙塵是太陽星云原始物質的殘留部分。已知的形成年齡都在46億年左右，可代表太陽系早期的年齡。月球上的巖石（月巖）經過20世紀70年代人類登月考察，已經測得最老的月巖年齡為46億年，在 41億年前月球內部發(fā)生過一次較大規(guī)模的增溫熔融作用。問題：如何測定地球年齡？,2 地球的年齡,衰變律:

18、 任意時刻 t 時的原子核數 N （子體數）與原始核數N0 （母體數）之間有如下關系：如果知道原始母體同位素的豐度，再測出現時子體元素的豐度，則可根據上式估算出年齡?！就ǔ?，問題比較復雜；將在更高級的后續(xù)課程“地球物理學原理”中講述】,32,3 地球上生命的起源,化學演化到生命演化,33,生命：核酸和蛋白質等物質組成的多分子體系，它具有不斷自我更新、繁殖后代以及對外界產生反應的能力,原子：由原子核和電子組成；…,3 地球上生命的

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

20、顯示原子的中心配置的擴展圖。每一個納原子圍繞著六個氯原子，同樣，每一個氯原子圍繞著六個納原子。,3 地球上生命的起源,生命構建歷程,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，生命是物質運動的最高形式。原核蛋白體,37,3 地球上生命的起源,生命起源機制星際空間雖然廣泛存在有機分子, 但從無生命的簡單有機物單分子（氨基酸等）→復雜有機物

21、大分子（類蛋白質等）→有新陳代謝生命現象的多分子體系（以蛋白質、核酸為基礎），需要經過由化學演化、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,生命起源的時間地球上最古老生命記錄（化石）：38億年（球狀單細胞細菌化石）,39,棒狀細菌化石,球狀細菌化石,4 地球的幾種典型場,重力場,40,4 地球的幾種典型場,地電磁場：麥克斯韋方程溫差效應導致凈電荷；物質本身并非絕對電中性，存在大量離子由于凈電荷的運動（各種運動包括

22、地球自轉攜帶運動），產生磁場磁場的作用又會引起電荷重新分布，產生新磁場…,41,4 地球的幾種典型場,地磁場,42,4 地球的幾種典型場,地熱場:衰變能，太陽輻射能，重力分異能，隕石碰撞能,43,5 地球膨脹問題討論,如果地球不斷冷卻，似乎不會膨脹巖漿不斷涌出，地殼四分五裂，也許成為地球膨脹的證據？如果引力常數 G 不斷衰減（Dirac 1937），地球應該膨脹 地震也許能引起地球膨脹？大地測量觀測表明地球正在膨脹（Shen

23、 et al. 2011）元素重新分布會導致膨脹（Shen et al. 2012）,44,5 地球膨脹問題討論,大地測量觀測表明地球正在膨脹（Shen et al. 2011） 地球膨脹報告 Shen W B et al., 23 Apr 2014【演示PPT】,45,思考及練習：1 地球是如何起源的？2 地球為何會分層？3 在地球演化的早期，地球為何會收縮？4 假定地球總質量不

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,本講主要講授了地球的起源、演化，分層結構，地球年齡估算等。重點地球起源——星云假說地球初始狀態(tài)及演化過程地球的分層及其機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,47,wbshen@sgg.whu.edu.c