地球的年龄与地质年代

地球的核辐射场与年龄第一节地球的起源地球在太空中不停地旋转，神秘莫测。有许多问题要人类去探索。其中之一就是地球有多大了？回答这个问题涉及到地球的起源以及演化。地球的起源、形成和演化在地球科学，乃致整个自然科学领域里都是一个基本的理论问题。地球起源离不开整个太阳系形成。进一步太阳系的形成离不开对整个宇宙的认识。太阳系是由太阳、九大行星(其中很多都具有庞大的卫星系统)、小行星及陨星之类的无数较小天体、一个大的慧星族、以及在太阳系主要成员之间分布的宇宙尘和气体组成的。一、混沌初开——宇宙始于大爆炸世界是怎样开始的，我们的地球以及整个太阳系是从哪里来的?这是哲学家解释世界所不可回避的问题。“混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊者下凝为地。”中国古代的圣贤作出了这样的回答。他们设想，混沌无形的元气是天地的本源。我们赞成宇宙是无边无际，无始无终的哲学观点，但作为自然科学研究的具体对象，宇宙是一个有限的客观存在。这样一个宇宙，应该有它的开端。宇宙是怎样开端的呢?宇宙正在膨胀渺渺茫茫，从何说起。最初只能有臆想出来的神话。作为科学中的假说，总得有一定的事实为基础，并能得到科学理论的支持。20世纪初，天文学家斯里弗尔(V．M．Slipher，1875—1969)在观测银河系外的仙女座大星云时，取得了15个星系的光谱资料，经过研究，发现其中13个正在以数十万米每秒的高速退行，即离开我们愈来愈远。1929年，哈勃(E．P．Hubble，1889-1953)根据前人和他自己观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的速度和它与我们(地球)的距离成正比，即离得愈远退行愈快。这个发现告诉我们，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们已知的宇宙正在膨胀。哈勃所在的工作单位，设在美国加利福尼亚州威尔逊山上的天文台，拥有当时世界上最大的天文望远镜，这使他有可能观测到100万光年那样远的地方，在银河系外原来分辨不出星体的云块中，看出了星系的存在，并取得了资料。在哈勃还未发表他的研究结果之前，就有人根据爱因斯坦(A.Einstien，1879～1955)在1916年提出的广义相对论，演绎出宇宙在膨胀的理论。哈勃的发现被认为是对这些理论的验证。以后的天文观测继续有新的发现，证明宇宙在膨胀。曾测到有的银河外星系之间，正以2500000千米每小时的速度在拉开距离。宇宙为什么会膨胀呢?会不会是爆炸的产物呢?比利时天文学家勒梅特(G.E.Lematre，1894--1966)在1927年就想到了。他设想组成现在这个宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密，温度约为1032K(绝对温度1亿亿亿亿度)。显然这只能维持极其短暂的平衡，一旦平衡破坏，就发生大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙。这本名为《BIGBANG)的书，在中国译为“大爆炸”的宇宙起源假说，可谓神来之笔。后来勒梅特自己也不敢相信，不久就放弃了。但是哈勃的发现确实使入受到鼓舞，不断有人去继续研究。现在我们知道，宇宙形成的过程大致是：大爆炸后1秒钟，温度降到1018K，粒子间的强相互作用、弱相互作用、电磁力和引力开始分开。在高温下处于基本粒子状态的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子，约在大爆炸后50--100万年，首先由电子和质子合成氢原子，接着是氦原子也大量生成了，随后其他所有元素的原子从轻到重依次聚合而成；大爆炸后100万年到20亿年才逐步形成各类天体星系。太阳系的出现，已是大爆炸发生约100亿年之后的事了。怎么证明？大爆炸的发生，距离现在约150亿年了。怎么能证明150亿年前发生过这样的爆炸呢?按照大爆炸宇宙模型的理论，爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到40000K以下时才开始形成的，现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿年，符合这个理论的推断。特别是盖莫夫(G．Gamow，1904--1968)作出的预言：在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今还存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温度几度。1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望远镜，在各个方向都测得一种3K的微波背景辐射。大爆炸理论得到了有力的支持。发现者彭兹亚斯(A．A．Penzias，1933～)和威尔逊(R．W．Wilson，1936-)为此得到了1978年的诺贝尔物理学奖。还有一个证据是，现在测得的不同天体上氦的丰度，即它在天体中的含量，一般都达到20％左右，仅靠太阳上那种氢合成氦的作用，在150亿年左右的时间里是不能造出这么多氦的，而大爆炸能做到。因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实。天文观测中已多次记录到超新星爆炸，另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都可以作为佐证。宇宙起源于大爆炸的场面是令人惊叹和着迷的，这种假说已为越来越多的人所接受。然而，也许有关这个大胆设想的证据永远都难以充分，不过它给我们带来的问题，确实值得好好地研究。二、太阳系的起源太阳系起源理论太阳系起源理论可分成两种主要类型：一种认为起源是逐渐演化的结果；另一种则把起源归因于某种激变的作用，通常假定在遥远的过去太阳与恒星相遇。1．星云说2．碰撞说3．电磁说4．尘埃云说5．积成说。。。。。。星云说1755年，哲学家康德的“宇宙发展史概论”中假定：构成太阳系的星际的物质，在太初时都分散为基本粒子，充满整个的宇宙空间。在万有引力的作用下，这些原始的弥漫物质逐渐分别凝聚，形成太阳系内各天体。–原始太阳星云为自大星际云瓦解出的一块小云。它的温度不高，有一定的初始角动量和自转，在自吸引作用下收缩，中心部分形成太阳，外部扁化为星云盘。星云盘中含有气体、尘埃和冰的固体颗粒，主要由这些固态物质集聚成行星和卫星。康德-拉普拉斯星云说拉普拉斯从数学和力学的角度阐述，他设想太阳系本是一团旋转着的炽热的气体，由于冷却收缩，越转越快，离心力也随着加大，特别是在云团的赤道一带最大．因而形状变得扁平如圆盘；当旋转速度快到一定程度，这个圆盘外缘的惯性离心力大于引力时，就会有一部分物质被分离出来，成为继续围绕中心运转的圆环，如今天在土星所见。康德-拉普拉斯星云说这些圆环一次又一次地被分离出来，并分别凝聚结成行星；行星周围的卫星也有着类似的形成过程；星云中心部分则收缩成为太阳。拉普拉斯用力学的原理，解释当时已认知的六大行星的轨道为什么都近于圆形并在同一近似的平面上，和它们的自转公转的方向为什么一致等问题，都比较合理、清晰，很有吸引入的魅力。在19世纪，康德-拉普拉斯星云说风靡一时。角动量的矛盾但是，在太阳系中仍有许多问题，星云说不能解决。特别是1884年傅切(A．Fouche)提出，按照物理定律和康德，拉普拉斯星云说，太阳和行星的单位质量的角动量，应该是一样的，但实际上相差近100倍。康德—拉普拉斯星云说未能解决这个矛盾，从而失去了一度占主导地位的优势，出现了众说纷纭的局面。康德和拉普拉斯都是仅在力学上去解释，而在太阳系中不仅有引力的作用：还存在其他多种物理作用。在康德、拉普拉斯那个年代，人们不知道太阳的热来自氢合成氦的热按聚变。电磁场的作用–角动量问题(角动量是转动的一种量度，它大致等于质量、速度和轨道半径的乘积)。在太阳系里，太阳的质量约为行星总质量的750倍，占全系统的99％以上，但它的角动量却只有全系统的2％。行星的质量虽小，但角动量却很大。以单位质量所具有的角动量而言，这种分布是极不平均的。通过一种什么作用，才能导致这样一个转动系统?如果行星和太阳是同源，就必须找出一个使角动量重新分布的物理过程。最能使角动量转移的物理过程，即为磁场对于带电粒子的作用。该假说的要点是：假定太阳系开始是一团凝缩收缩的低温星云，转动速度因急剧收缩而加快。当这团星云的半径收缩到一定程度时，由于流体力学的作用，使转动达到失稳状态，两极渐扁，赤道凸起，并发展成一个尖锐的边缘。星云物质从此边缘向外抛出，形成一个圆盘(圆盘质量只有太阳的1％)。中心体与圆盘脱离后，前者继续收缩，形成太阳，后者质量不再增加，聚成行星。当它们脱离时由于星际空间存在磁场，太阳与圆盘的内缘产生一种电磁流体力学的作用而导致一种磁致力矩。通过这个力矩，太阳对圆盘作功，从而将太阳的角动量转移到圆盘上。圆盘因角动量增加而向外扩张，但太阳因为继续收缩和角动量减小，可使它的角速度变化不大，故解释了太阳转得慢的问题。为了保证上述过程的进行，太阳与圆盘分离时的磁场强度只需0．3T，但要求圆盘内缘有千万分之一的原子处于电离状态。当圆盘冷却时，不易挥发的物质先凝聚成固体。这些固体在气体带动下，在圆盘扩展过程中，直径小的固体却被气体推向前去，而直径大的固体被抛在后面，从而各自形成内行星和外行星。目前尚不能给出一个统一的起源学说，但在行星轨道的稳定性、地球的年龄、地质的演化、地球的化学组成、陨石坑与撞击、角动量的分布与形成的物理进程等方面确有共识。地球与其他行星(或许不包括冥王星)具有众多的共同特点和特征，说明它们具有共同的起源。在讨论太阳系的起源时，可以把必须加以考虑的突出的共同的特征进行分析。三、地球的诞生“天，积气也；无处无气。地，积块(土)也；充塞四虚，无处无块。”(《列子·天瑞))。这是两千多年前的中国学者列御寇告诉我们的：天是气的集合，地是土的集合。不能不惊叹中国古代贤哲的卓识，人们能看到的蓝天或其他颜色的天，都是大气散射或折射阳光的结果，这个天确实是气的集合；而我们脚下的大地，也确实是“土”的集合。星际物质20世纪30年代末，天文观测证实，在银河系中，有许多气体和尘埃存在。这些气体主要是氢和氦。尘埃里主要是水、甲烷和氨等液体气体冻结而成的固体微粒；还有少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体材料。气体在这些星际物质中，按质量计要占到98％左右，固体物质不及2％，其颗粒细微，半径只有0．0001厘米左右。微粒的数量并不少，它们弥漫在整个太空中，在太阳系中也不例外。太阳系中的星际物质，一般都认为是形成太阳系原始星云的残余。它们的化学成分和整个太阳系的化学成分相当，即氢最多，氦其次，然后依次是氧、碳、氮、氖、硅、铁、硫等元素。地球与其他行星具有的特点和特征1．四大共同特点(1)所有行星都围绕着太阳旋转且其运行轨道都接近圆形。这便与沿高度偏心的椭圆形轨道运转有所不同(普雷斯等，1986)。太阳系内行星的轨道，实际上都位于大约与太阳的赤道面成60倾斜的同一平面上。所有的行星都以同一方向围绕太阳运转，而且在同一方向上围绕其各自的轴旋转，太阳的赤道面接近于轨道面。天王星则例外，它的赤道面大约呈980倾斜，而金星的旋转是反向。(2)行星到太阳的距离形成一个级数，其中，行星之间的间距随着它们到太阳的距离的增大，而非常近似于几何级数的速度增大。这种关系是博德(Bode，1772)发现的，它预示在火星与木星之间还存在着另一个行星。30年以后，果然发现了这个带，不过这个带所包含的已不是一个行星，而是称为小行星的一群碎片，它们很可能是一个或几个行星碎裂后的残渣，这表明行星距离的分布是规则的。(3)在火星与木星之间的博德间隔，把行星分为两组，即内行星或类地行星(水星、金星、地球和火星)，体积都较小，而密度较大，并接近太阳。它们在自转轴上转动速度较慢，几乎没有卫星。类木行星(木星、土星、天王星、海王星)都是体积大、密度低、且距离太阳较远的行星，它们在其自转轴上转动速度较快，且具有许多卫星。最远的冥王星似乎与此况不同，它可能以前是其他行星的一个卫星。它们可能与地球一样，即其他类地行星可能也贫于气体元素，但是类木行星则较富于气体，特别是甲烷、氨，还可能有氢。(4)尽管太阳占整个太阳系全部质量的99％，但它却只提供出2％的角动量，而行星的角动量却占98％左右。根据对地球岩石、月岩和由星际空间落在地球上的陨石进行化学分折，推断类地木行星大部分(90％)是由铁、氧、硅、和镁四种元素组成的，对太阳的光谱研究表明：它几乎(99％)是由氢和氧组成，据推测，高丰度的氢和氧是类木行星的特点。大多数天文学家常将一个恒星的演