14 地球的起源和早期地壳演化

第八章地球的起源和早期地壳演化思考：1、地壳什么时候形成？怎样形成？2、板块构造机制什么时候开始？主要内容一、地球的起源二、早期（前寒武纪）的地壳三、超级大陆一、地球的起源(一）宇宙的起源——大爆炸宇宙诞生10-44秒之后便急速展开。10-34厘米的超微宇宙在仅仅10-44秒之内迅速膨胀了10100倍,称为暴胀。提出“从无到有”的宇宙起源模式，对“无始无终”宇宙观是一个冲击！超微宇宙的瞬间暴胀恒星—星系（银河）—星系团—超星系团—总星系星系直径10万光年，星系间距离几十至上百光年大爆炸的证据:1.观测到河外天体有系统性的谱系红移现象。2.观测到各种天体上氦丰度大(30%），微波背景辐射的温度仅3K。符合大爆炸学说要求宇宙曾有从热到冷的演化史：早期100亿度（只有基本粒子）---10亿度（开始出现氢、氦轻元素）---100万度（更多元素合成）---几千度（气体凝聚成星云）--绝对温度几度（现在）。3.天体年龄测定均200亿年，符合大爆炸理论要求“所有恒星都产生于温度下降之后”前提。（二）太阳系及地球起源的假说康德星云说康德星云说(1755)(1755)宇宙中弥漫着气体与尘埃组成的宇宙中弥漫着气体与尘埃组成的星云星云，在，在万有引力作万有引力作用下用下密度较大的微粒吸引周围密度较小的物质逐渐集成大的团块，从而引密度较大的微粒吸引周围密度较小的物质逐渐集成大的团块，从而引力增大，促使聚集加快，形成巨大的球体，即力增大，促使聚集加快，形成巨大的球体，即原始太阳原始太阳。原始太阳周围的。原始太阳周围的微粒继续向引力中心竖直落下时，由于微粒继续向引力中心竖直落下时，由于斥力斥力而发生偏转，其中有一个主导而发生偏转，其中有一个主导方向，遂形成扁圆的旋转云状物。同时又逐渐聚集成小团块，在方向，遂形成扁圆的旋转云状物。同时又逐渐聚集成小团块，在引力和斥引力和斥力的共同影响力的共同影响下绕太阳旋转，形成下绕太阳旋转，形成行星行星。行星周围的颗粒以同样过程形成。行星周围的颗粒以同样过程形成卫星卫星。太阳是在太阳系聚集时开始发热发光。行星中。太阳是在太阳系聚集时开始发热发光。行星中密度较大密度较大者受到较大者受到较大引力而引力而离太阳近离太阳近，，密度较小密度较小的的离太阳远离太阳远。康德假说的。康德假说的主要问题主要问题在角动量的在角动量的分配上，而且原先不动的原始太阳在引力和斥力下会旋转起来也是不可能分配上，而且原先不动的原始太阳在引力和斥力下会旋转起来也是不可能的。的。拉普拉斯星云说拉普拉斯星云说(1796)(1796)认为原始太阳是炽热的认为原始太阳是炽热的球形星云球形星云，直径有太阳系直径，直径有太阳系直径那么大，缓慢自转。由于那么大，缓慢自转。由于散热收缩散热收缩而而自转加速自转加速，致使赤道，致使赤道离心力增大离心力增大，，星云变星云变扁扁，当离心力超过向心力时分离出一个环，以后又相继，当离心力超过向心力时分离出一个环，以后又相继分离出五个环分离出五个环（当时只（当时只知道六颗行星），各环绕日运转时逐渐吸聚成知道六颗行星），各环绕日运转时逐渐吸聚成行星行星。热的行星以同样方式形成。热的行星以同样方式形成卫星卫星。现知木星、土星和天王星都有这样的环就是证据，人们把这种环称。现知木星、土星和天王星都有这样的环就是证据，人们把这种环称拉普拉普拉斯环拉斯环。这个假说也。这个假说也没有解决角动量分配问题没有解决角动量分配问题。太阳目前的。太阳目前的转速太低转速太低，不能抛，不能抛出环来。出环来。霍伊尔霍伊尔--沙兹曼磁藕合假说（沙兹曼磁藕合假说（1960s1960s））在在太阳系形成的开始阶段和拉普拉斯的星云说太阳系形成的开始阶段和拉普拉斯的星云说有些相似。认为有些相似。认为太阳系太阳系开始时是开始时是一团凝缩的一团凝缩的星云星云，但，但温度并不高温度并不高，，转动并不快转动并不快，转动速，转动速度因急剧收缩而加快，当收缩到一定的程度度因急剧收缩而加快，当收缩到一定的程度，它的转动就达到，它的转动就达到不稳定不稳定的状态，的状态，两极渐扁两极渐扁，赤道突出，赤道突出，物质终于由此处抛出，形成一，物质终于由此处抛出，形成一个个圆盘圆盘。当中心体与圆盘脱离后，继续收缩。当中心体与圆盘脱离后，继续收缩，不再分裂，最后形成，不再分裂，最后形成太阳太阳。圆盘内物质则。圆盘内物质则相互凝聚成了相互凝聚成了行星行星。星际空间存在着很强的。星际空间存在着很强的磁场磁场，太阳的，太阳的热核反应热核反应发出发出电磁辐射电磁辐射，使周，使周围的气体云盘成为围的气体云盘成为等离子体等离子体在磁场内转动，在磁场内转动，从而使从而使太阳的角动量转移到圆盘太阳的角动量转移到圆盘上。由于角上。由于角动量的增加，圆盘向外扩展，太阳不断收缩动量的增加，圆盘向外扩展，太阳不断收缩，因，因失去了角动量失去了角动量而使其而使其自转速度减慢自转速度减慢。因。因为太阳辐射作用产生的太阳风推开了轻的物为太阳辐射作用产生的太阳风推开了轻的物质，聚集成类木行星，较重的物质未能推走质，聚集成类木行星，较重的物质未能推走便在太阳附近聚集成为类地行星。便在太阳附近聚集成为类地行星。主要内容一、地球的起源二、早期（前寒武纪）的地壳三、超级大陆（一）地球圈层结构的形成机制原始地球可能是增积作用形成的均质固体，主要由硅、氧、铁、镁原始地球可能是增积作用形成的均质固体，主要由硅、氧、铁、镁等的化合物组成，开始是冷的，由于下列原因等的化合物组成，开始是冷的，由于下列原因逐渐变热逐渐变热：：(a)(a)小星体碰撞、增积转换来的热能小星体碰撞、增积转换来的热能这种热源可能是地球形成初期的这种热源可能是地球形成初期的主要形式，小天体的冲击、尘埃碎块的碰撞将大量的主要形式，小天体的冲击、尘埃碎块的碰撞将大量的动能转换为热能动能转换为热能。。((b)b)压缩导致温度升高压缩导致温度升高随着地球体积的缩小，内部压力不断增高，重随着地球体积的缩小，内部压力不断增高，重力压缩的结果使地球温度升高。力压缩的结果使地球温度升高。((c)c)放射性元素蜕变生热放射性元素蜕变生热地球内部的地球内部的UU、、ThTh、、KK等放射性元素蜕变时放等放射性元素蜕变时放出的热量，长期积累起来，造成地球升温。出的热量，长期积累起来，造成地球升温。地球增热的三种机制增积作用重力收缩放射性元素蜕变在地球形成初期，由碰撞、压缩和放射性在地球形成初期，由碰撞、压缩和放射性而产生的热量使地球温度达到而产生的热量使地球温度达到10001000℃或更高。地℃或更高。地球形成的最初球形成的最初1010亿年内，在深度亿年内，在深度400400～～800800kmkm范围范围内，温度已上升达到铁的熔点。由于内，温度已上升达到铁的熔点。由于铁和镍铁和镍的熔的熔点较硅酸盐低，这时达到熔点点较硅酸盐低，这时达到熔点首先熔化首先熔化，形成，形成熔熔融的金属层融的金属层，同时，同时硅酸盐开始软化硅酸盐开始软化，为重力分异，为重力分异作用创造了有利条件，于是比重大的铁、镍形成作用创造了有利条件，于是比重大的铁、镍形成大的熔滴向地心下沉。降落过程中将释放出来的大的熔滴向地心下沉。降落过程中将释放出来的重力能转变为热能重力能转变为热能，使地球出现局部熔融状态。，使地球出现局部熔融状态。铁、镍铁、镍最后向地心集结成为最后向地心集结成为地核地核，与此同时，，与此同时，硅硅铝、硅镁铝、硅镁等较轻物质上浮，冷却而成为原始等较轻物质上浮，冷却而成为原始地壳地壳，二者之间的，二者之间的铁镁硅酸盐铁镁硅酸盐组成组成地幔地幔。在。在长期分异长期分异作用下，地核不断加大，地核内热不再散失，致作用下，地核不断加大，地核内热不再散失，致使外核保持液体状态。使外核保持液体状态。原始地球一个由岩浆构成的炽热的球（岩浆海）。（二）地球的年龄1.地球年龄测定的方法——放射性同位素衰变全岩0.1×108~46×108357×108176Hf176Lu全岩0.1×108~46×108423×108186Os187Re石榴石、全岩1×108~46×1081060×108143Nd147SmTh闯进地球大气中的小天体与大气摩擦生热燃烧，若未燃烧尽并落到地球表面则称之为陨星(陨石)。1976年3月，吉林陨石1770Kg石陨石（占92%）（球粒和无球粒陨石）石铁陨石铁陨石（占6%）球粒陨石的Rb-Sr同位素年龄为45.52亿年；Re-Os同位素年龄为46.1亿年。2.地球年龄的测定月球样品地球、月亮45.67亿年（月球金属中的鎢同位素定年）（三）初始地球组成——月球的启示月球——离我们地球昀近的天体月球起源的假说分裂说——认为月球原是地球赤道区的一部分。在太阳系形成初期，所有的行星都处在高温熔融且高速自转的状态。由于离心力的作用，有些部分被从行星上甩了出去，形成卫星。月球也是这么来的。但是据现代科学家们的模拟计算，地球诞生时的离心力只不过是现在的4倍，不可能将这么大质量的物质抛出去。同源说——认为月球和地球是从同一块原始星云中分别凝聚成团诞生的。俘获说——认为月球原来是一颗离地球不远的小行星，受地球引力吸引成为围绕它转动的卫星。这一说法较好地解释了上面的难题，但也存在着明显缺陷。地球的体积和质量并不比月球大多少，要俘获它并不是件容易的事。一个火星大小的物体撞击地球，弹射的一块炽热岩石受制于地球的吸引力，由此产生月球（瑞士苏黎世联邦技术学校）－2007年12月参考消息我们很高兴，月球在30-38亿年（？）前就“死”了。地球与月球在30亿年之前有相同的演化历史？月球记录了38－33（0）亿年以前的地壳演化。只在月球上记载地球物理：月球有固体圈层（核幔壳）地幔波速与地球相同（橄榄岩）岩石样品：斜长岩高地与玄武岩海壳幔分异陨石坑1、初始地壳（Proto-crust）月球表面地形高地（Highlands）高地的岩石类型主要由斜长岩（Anorthosite-辉长岩gabbro）组成(少量KREEP岩）。由于含有较多的斜长石，高地的反射率要比月海（玄武岩为主）的高。在地球上，斜长岩产出于层状辉长岩中，这是早前寒武纪的重要岩石单元。但是在地球上，这些岩石在漫长的地质活动过程中很少保留下来，所以月球是研究地球早期演化很好替代场所。月海（Maria）就是陨石冲击坑，主要的岩石类型为玄武岩月球最古老岩石4.456Ga月球历史对地球早期过程的启示斜长岩目前普遍认为,月球斜长岩形成于月球的早期分异过程(4.4Ga),为漂浮于早期“岩浆海”之上的斜长石堆晶体(Jamesetal,1989)。此外,斜长岩在火星、金星及水星上可能也有分布(Ashwal,1993)。月球地球地球上斜长岩出露有限，主要是太古宙巨晶斜长岩和元古宙岩体型的斜长岩，昀古老的斜长岩以透镜体出露于西澳大利亚的3.73GaManfred杂岩中。但它们不是地球上昀古老的岩石。因此，始终存在着疑惑与争论？1 地球上曾有斜长岩高地吗？如果有，如何演化为陆与洋？2 地球上先有陆壳还是洋壳？如果先有陆壳－－岩浆分异说困难：如何形成占地球表面3/4的大洋？如果先有洋壳－－初始岛弧－增长陆块说困难：未见到古老大洋的记录岩浆海阶段，4.4Ga?张毅刚20091000km?2、最古老地壳的年代及初始陆壳（陆核nucleus）z昀古老的物质：锆石，～4.4Ga(JackHills,Australia)；z昀古老的岩石：长英质片麻岩，～4.1Ga(Acasta,Canada)；z昀古老的成规模的陆壳：片麻岩＋表壳岩，～3.8Ga(Greenland)。其它的古老年龄也大都集中在3800Ma左右，表明这一时期初始陆壳已经开始出现，或至少从3800Ma开始，地球就已经开始发育一定规模的陆壳，只是由于后来受多次的变质、变形、岩浆和地外物质撞击作用的影响，使这些早期陆壳变得支离破碎（陆核？）抑或循环进入地幔，从而现在难以准确估计它的形成量。冥生宙/太古宙的界限3800Ma（1）4.4Ga昀古老的大陆地壳物质CLimageofzirconfromtheJackHillsmetaconglom