中国地质大学 地球科学概论 教学课程PPT part7

第十一章新地球观—地球系统科学一、地球是一个系统二、地球动力系统三、开放的地球系统四、圈层间的强相互作用五、不可逆的进化六、均变与灾变七、各种时间尺度的周期性变化一、地球是一个系统地球系统科学—新的地球观–系统，学科众多，相互交叉从整体论（Holism）角度研究从宇宙体系角度来全面认识行星地球：–将地球作为一个行星二、地球动力系统地球上所有物质都在不断地运动地球上不同物质的运动都有其独特的动力学机制它们均受到地球内部和外部因素的影响–地球内部：重力场、自转、温度、压力等–地球外部：行星、太阳系、银河系等三、开放的地球系统地球从宇宙中接受质量和能量–星子吸积，陨石–太阳辐射能，陨击地球系统不断地耗散能量–热量散失–转动惯性能消耗，自转减慢地球是开放系统–将地球作为宇宙巨系统中的一份子四、圈层间的强相互作用地球系统的复杂性：子系统地球各圈层的强相互作用–耦合与解耦作用–相邻两圈层之间强相互作用壳-幔、核-幔、水圈-岩石圈、岩石圈-大气圈–不相邻圈层之间相互作用磁场-内外核、放气、温度-地幔、地震厄尔尼诺、拉尼娜-地幔放气、排热五、不可逆的进化生物界：由低级到高级、简单到复杂演变；时间的不对称和单向性；生物演化不可逆性。五、不可逆的进化地球：地球是如何演化的？整个地球（包括无机界）是否也是从简单到复杂、低级到高级的不可逆演变？宇宙的起源宇宙起源于150亿年前的宇宙大爆炸，形成了众多的星系和恒星;此后，轻重不同的100余种元素不断地通过氢和氦热核反应而逐渐形成。在45.5亿年前一次很偶然的超新星爆炸冲击波的影响下，使由星际冷的固体尘埃和气体所组成的原始太阳星云运动速度加大，密度增大，发生凝聚而形成太阳以及围绕它旋转的星云物质。太阳系的起源太阳周围的固体与气体物质，经过约5000万年快速旋转和冷凝，以固体颗粒(小园球状的星子)为中心，通过反复随机碰撞吸积、增大质量，逐渐形成太阳系的9大行星。太阳系的起源以气体为主的类木行星(如木星、土星以及土星的卫星等)在温度较低的太阳系外圈先行形成。在太阳系的内圈、温度较高，则形成以重元素为主的固体行星——类地行星(约晚2000～3000万年)。地球的形成根据球粒陨石1）年代测定，地球的形成和加大吸积的时期，推测主要发生在45.2～44.8亿年前。地球总质量的绝大部分(6×1027g)都是该时期吸积的。后来的40亿年内，地球质量只增加1025g，相当于地球总质量的1/600。也就是说地球平均每年要接受2.5×1016g(即250亿吨)的陨石物质。早期的地球—状态刚诞生的地球表面是裸露固体岩石，没有大气层、没有土地，也没有海洋，地表陨石坑密布，火山到处喷发。由于地球质量巨大，内部温度、压力相当高，可发生全球性部分熔融，使原始成分相当于球粒陨石的地球发生圈层化的重力分异作用。早期的地球—地核当时地球内部热量比现代大得多，估计其放射性幅射能约比现代大10倍；地球吸积(陨石撞击)和圈层分异作用也可产生热量，使物质分异与迁移，比重较大的铁镍物质大量聚集到地心附近，到43亿年前，就基本上形成地核(约相当于现代地核的3/4)。早期的地球—地幔、地壳地幔也基本上一直保持固体状态。下地幔成分相对均一，而上地幔存在着横向与纵向上化学成分的不均一性，说明上、下地幔并没有经历过全部的熔融分异、以达到平衡的演化过程。而在地球表部，火山密布，同时还有相当数量的陨石撞击，在40亿年前逐渐形成了原始的大陆，使晶体结构较松散的铝硅酸盐在地表聚集，造成了大陆地壳。大陆地壳的形成和增长陆壳的主要增生时期为30～18亿年即新太古—古元古代时期，现在所知的大陆地壳基本上都是该时期形成的。在18亿年以前的时期，由于地球内部的热活动一直比较强烈，物质在垂直方向(地球半径方向)上的分异、对流、迁移等作用都相当剧烈。在18亿年以后，地球内部变冷，岩石可塑性变小，使上地幔的顶部层位和地壳合成一个统一的岩石圈，其刚性程度加大，出现了岩石圈板块。大气圈的形成与此同时，由于岩浆活动所排出的气体(CO2与H2O为主，含少量N2)可能形成初步的大气圈，形成与金星、火星相似的大气圈。大气压力相当于现代的300倍，温度可达230℃左右，以后逐渐降温，气体中冷凝下来的水(富含Cl、SO4离子)，就可覆盖在几乎整个地球表面。水的形成1998年Zahnle认为地球上水主要由富含冰(固体的H2O)的慧星撞击地球所致。关于水的起源，留下的证据不足，也许两种成因──岩浆排气与慧星撞击可能都同时存在。一般认为85%的大气圈与水圈(海洋)是在44亿年前形成的。水的形成地球演化的不可逆性总之，宇宙中地球的各圈层—地核、地幔、地壳、大气圈、水圈与生物圈，都是在相互作用下，不断地由简单到复杂、由低级到高级的演化发展，并按照各自的规律(自组织性)、不可逆地、前进式的演化。耗散结构论和协同论指出，自然界非平衡的约束与非线性动力学机制同时作用于开放的耗散系统，使系统自发地由简单趋于复杂，由无序走向有序。六、均变与灾变地球的演化：–不是匀速、线性地发展的，而是进行着变速的演化；–表现为相对均匀变化与突变（灾变）交错相间的特征。均变论18世纪末叶到19世纪初叶，地质学的奠基人，郝顿(Hutton,J.,1726～1797)和莱伊尔(Lyell,C.,1797～1875)认为：–许多大变化是由一系列微小的变动逐渐积累而形成的。这就是他们的“均变论”的主要观点。灾变论以居维叶(Cuvier,G.,1769～1832)为代表的“灾变论”，则认为：–生物演化过程中，“没有一种缓慢进行的原因能产生突然的效果”，“所以地球上的生命进程曾多次被可怕事件所打断”，“地球表面曾经历过相继的革命及各种灾变”。稳定期是一种非平衡的相对静态，演化呈现为相对有序的特征。这种时期表现为：–大气圈的年平均温度基本稳定，气候带的划分基本固定，海平面变化幅度较小，生物稳定地繁衍、复苏或发育；–地磁极变化幅度较小；稳定期–地层内表现为连续沉积、地层之间呈现为整合的接触关系；–地热能稳定积累，热活动微弱；岩浆活动稀少和微弱；以埋藏变质为主；–构造应力逐渐积累与调整，主应力方向不明显，差应力值小；板块稳定升降，水平位移量较于；岩石变形微弱；–陨击微弱，各天体处于相对稳定。活跃期突变期或灾变期，呈现为极不平衡的无序状态。常表现为发生异常气象，大气温度剧变，气候带迁移，海平面大幅度升降，生物种群灭绝，地磁极翻转；地层中出现沉积间断，地层间呈现出角度不整合接触关系；活跃期地球内部热能大量释放，岩浆活动与各种变质作用剧烈；岩石圈内构造应力猛烈释放，岩石发生强烈变形，构造应力的定向性明显，差应力值较大，板块升降幅度与水平位移量都较大。常发生大规模的陨击事件，各天体对地球的引力作用常出现某种的异常变化。灾变事件的滞后现象首先，以一次巨大的陨击作用作为诱发因素，引起全球电磁场剧变和地磁极的翻转；陨石撞击岩石圈表层引起大爆炸，粉尘升到大气圈上部，遮蔽了太阳幅射能，造成全球气温骤降；或可引起海平面的剧烈变化，发生海啸；陨击作用后几年到数万年的时间内，大气与海洋环境的巨大变化，不能适应环境的生物大量灭绝。灾变事件及滞后现象如果陨击在海洋岩石圈(其厚度仅数十km)上，将诱发深部地幔物质上涌，促使海洋板块扩张，进而推动大陆板块运移；在大陆板块边缘，从受到影响并进而引发构造变形和岩浆活动，其时间要晚些；由于构造应力的传递，板块边缘的构造变形将产生较长期的、不相等的滞后现象，一般几万年延续到上千万年。地球各圈层演变的机制全球各层圈的相互作用与运动变化等机制是什么？–仅仅是地球内部各层圈自身演化在起作用?–还是各种地外因素在起诱发作用?对于这个问题，目前的认识是很不一致的。地球各圈层演变的机制地球本身的热力、重力等动力作用因素，主要是使地球趋向均衡，它们对于保持各种作用的稳定变化起着主导的作用；而活跃期的出现，灾变事件的发生，则似乎主要是靠地外事件的诱发。整个地球系统的演化是地球内部各种作用自身演化与地外各种天文因素共同影响的结果。七、各种时间尺度的周期性变化地球各圈层的运动变化的时间尺度与天文周期：–280±25百万年，33±3百万年；–9.5万年，4.1万年，2.17万年；–1000~1400年，140~180年，60年，29.8年，11年，1年；–13.1~14.76天，1天等。地球演化的周期性280+25Ma–银河年,特大陨击,太阳系引力场变化；“代”，板块运动，岩浆活动等。33+3Ma–太阳系穿越银道面,巨大陨击作用；“纪”，板块运动，岩浆活动等。地球演化的周期性2.17、4.1、9.5万年–近日点进动,黄赤道交角变化,地球轨道偏心率变化；冰期和间冰期、沉积韵律等。1000-1400年–九星地心会聚长周期；固体潮，地震，火山作用等。黄赤道交角变化地球轨道偏心率地球演化的周期性140-180年–九星地心准会聚周期；固体潮，地震，火山作用等。60年–四大行星力距效应,地球公转半径变化；厄尔尼诺；“天干地支”；固体潮，地震，火山，核-幔耦合作用等。地球演化的周期性29.8年–地球自转速率变化,极移；内核振动周期。11年–太阳黑子活动,地球自转速率变化；厄尔尼诺；磁暴；地震活动短周期。地球演化的周期性1年–地球公转一周；日幅射周年变；生长季节变化；固体潮。13.1-14.76天–月球半月潮；大气超长波变；半月潮；固体潮，余震。地球演化的周期性1天–地球自转一周；日幅射；半日潮；生物钟；固体潮。