北京大学-地质学第四章-地球的早期演化

第四章地球的早期演化目前在地球上已知的最早岩石记录大约形成于38亿年以前，其中的碎屑镐石年龄达42亿年。但是对陨石和月岩样品的研究则证实，太阳系内的星体在46亿年以前就已经形成。关于地球的形成及其后约10亿年的演化历史认识主要是借助于天文观察资料和地球之外的间接证据（陨石和月球）进行的推论。1．地球的起源地球的起源一般认为是与太阳系一同形成的。康德-拉普拉斯的星云假说(Kant-LaPlace’snebularhypothesis)是目前被认为比较符合现在太阳系特征，而又能合理解释太阳系形成的一种观点。1）太阳系的特征a运动学特征：•所有行星基本在太阳自转平面内逆时针绕太阳公转；•除了金星和天王星外，其他行星逆时针方向自转；•除少数例外，卫星也模仿行星的运动方式运动。•b物质组成特征：类地行星(terrestrialplanets):个体小、密度大；由石质和金属元素构成。类木行星(Jovianplanets):密度小；木星和土星与太阳一样，主要由氢和氦组成。c.年龄特征：陨石46亿年月岩样品46亿年这些数据与理论计算的太阳年龄相吻合2）星云假说（NebulaHypothesis）要点：•太阳系起始于一团由宇宙尘埃颗粒和气体构成的冰冷而稀薄的星云。•星云逐渐收缩而发生逆时针方向的转动，使星云被压扁而成盘状。90%的质量集中到了盘状星云的中心部位。•收缩和转动发生引起湍流现象，星云系统中出现众多的旋涡。其中一些旋涡成为物质集聚的中心。•收缩使星云中心的物质在重力作用下强烈压缩，开始发生热核反应，原始太阳形成。同时，外围的物质凝缩和增生，形成原始的行星。•较大的原始行星通过碰撞和引力吸收自己轨道周围的物质；太阳风（solarwind）把残余散漫在太阳系内的较轻元素和气体吹到外围；太阳系最终形成。2．地球内圈层的形成和地壳的早期演化1）地球内圈层的形成圈层的出现是行星内部物质在（自转）离心力和重力作用下通过热力作用（熔融）发生的物质分异结果。较重的物质和元素向行星内部迁移，较轻的物质向外迁移。这种分异作用什么时候开始发生有两种观点：冷增生模式：内圈层的分异作用发生在行星诞生之后。齐次增生(homogeneousaccretion)热增生模式：内圈层的分异作用发生在行星的形成过程之中。非齐次增生(heterogeneousaccretion)齐次增生非齐次增生地球内圈层分异的两种可能模式月球象我们的地球一样，也具有核、幔、壳的圈层结构。作为地月体系中的月球为我们提供了地球核、幔、壳分异历史和早期演化的重要线索。布满陨石坑的亮色区域是“月陆”，暗色平坦区域是“月海”。•月陆（原始的月壳）在46-38亿年以前就已存在。•在46-38亿年期间，月球表面经历了强烈的陨石轰击，使早期的月壳遭到破坏而千窗百孔。•月海玄武岩喷发主要发生在38-32亿年前之间。•月球圈层分异作用大约在32亿年以前就已经基本停止。2）地壳的早期演化“花岗质”的陆壳是如何形成的？•从部分熔融的上地幔物质分离出来的上涌熔岩形成最初的地壳。•原始地壳多次重熔使较轻组分不断被分离出来而带到表层。•高地出现使固结的熔岩遭受侵蚀及化学风化作用。这些风化和侵蚀作用的产物构成了地球上最早的沉积物。•来自地下深部的炽热气体和富硅热液对沉积物的改造。•被改造的物质再循环和熔融最终形成“花岗质”的岩石，构成了大陆的核心。新陆地的出现，为其边缘的沉积提供了新的物质来源；在后续的造山事件中，这些沉积物发生变质和熔融作用而被焊接或“增生”到原始的陆核之上，使大陆不断“增生”。3．大气圈和水圈的演化现代地球大气的组成主要是N2、O2和Ar，它与相邻的其它几个行星的大气组成存在明显的不同。1）原始大气圈的形成和性质•原始的地球大气不是由在地球形成时的太阳星云中的气体物质直接组成。现代大气亏损象氖（neon）、氪（krypton）等这样的惰性气体，说明地球大气圈的形成与太阳星云气体没有直接的联系，也就是说，地球的原始大气不是由太阳星云中的气体部分直接组成。大气组成金星地球火星木星土星N23%78%2.7%--O221%0.13%--CO296%-95.32%--Ar-1%1.6%--CO--0.08%--H2---90%97%He--10%3%CH4--0.07%0.05%H2O0.003%-210ppm--•原始大气圈的形成也是地球圈层结构分异的结果。从星云假说中，我们知道地球是由凝缩的太阳星云物质颗粒聚集而成，包括在行星增生后期阶段的强烈陨石轰击过程。这些凝缩的太阳星云物质和陨石物质含有大量的气体和挥发分。在受热的情况下这些挥发分就会从岩石中释放出来。原始大气的物质有两个主要来源：a．由陨石或小行星所携带的物质。b．聚集在地球内部的凝缩的太阳星云物质；理论计算表明，陨石可以带来足够的气体物质，并可以解释今天地球挥发分的组成特点。炭质球粒陨石：有机质中含有氮、氢、碳等元素，还有大约10%的水。碳质球粒陨石在地球圈层的热力分异过程中通过火山喷发的方式把各种气体和挥发分物质释放到大气中，这一过程称为放气作用（outgassing）。•原始大气的性质取决于早期放气阶段的岩石的温度和岩石的氧化状态。现代火山喷发为我们提供了重要的例证：H2O（79%），CO2（12%），SO2（6%），N2（1%）但现代火山喷发的放气作用与地球原始的放气作用之间存在重要的差别：气源来自板块构造运动带到地球内部的较年轻岩石原始的大气组成，以二氧化碳和水蒸汽为主，其次是一氧化碳、氢气及氯化氢气体，还可能有微量的甲烷、乙烷、二氧化硫、硫化氢等气体。2）水圈的形成：在原始大气形成过程中和之后，随着地球表面的温度降低，水蒸汽就会凝聚，以降水的形式来到地表，在地表低洼的地方汇聚，最终形成海洋。现有的地质证据表明地球上的海洋在38亿年以前就已形成。3）大气圈和水圈的演化：原始大气的性质是强还原性的。大气圈的重要演化过程是那些化学活动性强的气体物质通过与大气中的和地球表面的其他元素或物质发生强烈的化学反应而逐渐从大气中消失，化学活动性稳定的气体则逐渐积累，在地球演化的过程中最终形成现代类型的大气。H2O+SO2—————→H2SO4H2SO4+阳离子————→硫酸盐↓+H2OHCl+阳离子—————→氯化物↓+H2O在地球上出现游离氧之前，非常重要的化学反应是光化学反应（photochemicalreaction）H2O+CO←————→CO2+H2↑H2O←————→H2↑+ONH3—————→N2+H2↑由光化学反应产生的氧与其他强还原性气体反应：O+CO—————→CO2O+CH4—————→CO2+H2OO+H2S—————→SO2+H2O这些化学反应的结果使N2和CO2的含量在大气组成中逐渐增加，其他气体含量逐渐减少，形成类似于现代金星和火星的大气。大气的演变同时也使水圈处于较强的酸性特征，而在水圈中也发生强烈的化学反应。流水带来的各种阳离子与酸反应使水圈的酸性逐渐降低，盐类的聚集则使海洋的盐度迅速增加。当大气中的所有强还原性物质（如CO、CH4、H2S、SO2等）和水圈中的酸性物质基本被耗尽后，游离氧才可能在大气和水圈中存在。游离氧的出现标志着地球大气的演化就开始了一个崭新的演化阶段-----向现代地球大气演化。•由光化学反应所产生的氧的积累是非常缓慢的。金星和火星的大气组成就是一个例子。•游离氧在大气圈中的出现和迅速积累与生物的光合作用密不可分。•在水圈中，通过生物作用和化学反应，CO2被固结到了地壳中：[CO2+H2O]+[Ca+2、Mg+2]—→CaCO3、MgCO3↓这一演化阶段大体开始于20亿年前。18~22亿年前形成的红色条带状硅铁建造（BIF）--游离氧存在的证据水在自然界的循环大气圈H2OCO2N2光合作用呼吸作用降水和蒸发生物圈CO2CO2O2O2水圈氧化作用放气作用风化作用CO2H2O岩石圈生物沉积作用CO2CO2化学沉积板块运动O2CO2大气圈和水圈的演化大气圈和水圈的演化是气体物质在“四圈”中的不断循环的结果。生物圈的出现则使地球的大气走上了与其他行星完全不同的演化道路。最终形成了现代的大气。4.化学进化与生命起源生命起源问题仍然是自然科学中没有解决的问题。科学家现在相信地球上的生命是在经历了漫长的化学进化和有机进化，即从无机物→有机物→具生命活性的物质（如氨基酸、蛋白质等）→生命形式的出现的演化历程之后形成的。化学演化阶段（前生命演化）：具细胞结构生命形式出现之前的演化阶段生物学演化阶段1000Ma2000Ma3000Ma4000Ma核幔分异地球的形成光合作用起源最早的细胞生命记录最早的沉积记录真核细胞起源大气圈自由氧积累元古宙太古宙显生宙生物学进化化学进化宏观生物出现多样化发展人类对生命起源问题的认识历程“原始汤”(primodialsoup)假说（1920`s）地球早期有一个还原性的大气圈，地表布满了“温暖的小水池”，里面充满了含有蛋白质等有机物的“原始汤”，生命就诞生在这个“原始汤”中。地球表面许多温暖的、富含蛋白质的小水池在缓慢冷却的过程中，使蛋白质聚集成微小的球体而演化成细胞生命。奥巴林的“团聚体”实验1952年Urey和Miller根据奥巴林的早期地球还原性大气圈的假设，在实验室里用甲烷(CH4)、氨气(NH3)、氢气(H2)和水蒸气(H2O)，在放电的条件下合成了多种氨基酸等有机物分子。“原始汤”中的蛋白质如何而来？地内自生：Urey-Miller实验宇宙来源：陨石中含有氨基酸氨基酸是构成蛋白质的基本分子。实验证明氨基酸脱水可以聚合为蛋白质20世纪60-80年代：核酸分子结构和遗传学的研究进展开始使人们相信具有自我复制和负载遗传信息的核酸分子是生命的分子基础。蛋白质、DNA、RNA，谁先谁后？20世纪80年代以后，随着人们对生命的化学进化的认知和对生命特征认识的不断深入，逐渐开始从2个不同的方面探讨生命的起源。生命源自何方？地球，还是宇宙生命大分子如何在无机环境中聚合20世纪80年代以来的发现和认识突破：有细胞结构的生命至少在35亿年前就已存在。过去被认为是生命的特有特征和现象（如自我复制）也存在于某些化学-物理系统之中。简单结构到复杂结构的演化概念已不局限于生物系统。对极端环境的生命考察和研究突破了关于生命生存极限的传统观念。生命起源的多样性。生命源自何方？地外化学进化与“新泛种论”(neopanspermia)现在有许多证据表明生命的化学进化过程不仅仅限于地球上，很可能在地球形成之前就已经在宇宙中发生了：从地壳的形成到最早的细胞生命出现的时间间隔相对来说是很短的；宇宙空间中的星际物质以及其它天体中含有大量的有机分子。如有些陨石中含有大量的有机碳；宇宙尘埃中不但有象醇、醛、有机酸等简单的有机分子，也有象氨基酸、嘌呤、嘧啶等较为复杂的有机分子。宇宙中的有机分子可通过某些途径到达地球表面，如陨石和彗星的撞击等。在地球早期演化过程中，星际有机分子可能通过彗星尾部对地球的“轰击”而大量进入地球，成为前生命化学进化的基本原料。------“新泛种论”现代的非生物有机合成与“新自生论”今天的地球环境与早期的地球环境已大不一样，现在的地球表面已经不具备前生命进化所需的环境条件。但是20世纪70年代末在太平洋中脊附近发现的水热喷口(hydrothermalvent)生态系统却是个例外。在水温高达350C，水深2000-3000m的喷口附近不仅存在各种化能自养的极端嗜热古细菌，而且喷出的水中有甲烷(CH4)、氰(CN-)等有机分子。表明此处可能存在非生物的有机合成作用。一些学者把大洋中的水热喷口环境看作是地球早期化学进化和生命起源的自然环境模型：地球上的生命就是在类似水热喷口的环境中通过非生物的有机合成在地球的早期形成的。通过硫化物获取能量，而非光合作用。地质学证据表明类似水热喷口的环境条件在地球的早期历史中可能相当普遍：早期地壳不稳定，火山活动强烈嗜热微生物大洋底的水热喷口环境H2S,CO,CO2,H2O,CH4,CN-350C