冥古宙的地球演化教材.ppt

第二章 冥古宙的地球演化 一、 天文演化阶段与地质演化 阶段的划分 46亿年（45-50）；天文演化 阶段 （冥古宙）； 地球形成到形成 固体岩石圈外壳阶段 38亿年，地质演化阶段 （太 古宙以来）；岩石圈形成以后阶段， 能发生大规模地质作用 根据：地球陨石测定，46亿年 前的陨石，K-Ar,40-50; Rh-Sr,43-47,U-Ph,45亿年，源 于火-木之间的小行星带； 月面玄武质陨硫铁，46亿年 假设：太阳系有共同的起源 地球年龄的最低值=地表上最古老 岩石年龄:38亿年 格陵兰西部海岸表壳岩38.2； 南极，片麻岩38.7亿年； 我国辽宁鞍山花岗质岩石38；河北 迁安片麻岩38亿年 30-35亿年的岩石非常普遍 地球有46亿年的历史 地球上最古老岩石的年龄为38亿年 地球上缺失最初8亿年的历史记录 长期以来，冥古宙的地球演化历史是 地球科学的一个空白,也是仅靠地球 科学本身难以解决的一个问题 20世纪60年代以来，随着登月和行星探测的 成功，在地球科学和空间科学之间形成了新 的边缘学科—行星地质学和比较行星学。

比较行星学认为，类地行星(包括月球和地球 )都经历了相似的演化过程，月球和其他类地 行星的研究结果为探讨地球早期演化提供了 最好的借鉴 地球早期演化研究是地球科学与天体化学、 月球地质学、行星地质学和比较行星学等相 关学科相结合，解决地球科学问题的研究过 程 二、 地球的起源：现代星云说 有关地球起源的学说有40余种，可以分为两类： 星云说和灾变说 星云说==共同形成说== 一元论：太阳系是从一团 弥漫星云物质在万有引力作用下逐渐聚集形成的（ 20多种） 灾变说==二元论：起源归于某种灾变事件，如： 分出说，布封(1745)：巨大物体（如彗 星）经过太阳，拉出一些物质形成行星（彗星为气 体，质量很小，可能性小）； 俘获说（陨星环学说），施密特(1944)，太 阳经过10亿光年的星际云，俘获了部分星云物质 形成行星；等等 星云说：康德1755---拉普拉斯1796 ----现代星云说： 太阳系是从一团弥漫星云物质在万有 引力作用下逐渐聚集形成的 在现代观测资料空前丰富的情况下，康德— 拉普拉斯星云说的基本观点得到大多数学者 的肯定，并得到了发展，形成了现代的太阳 系起源的星云学说。

1、大多数星云说都主张太阳系中 的太阳和行星是由同一星云形成 的，星云的中心部分形成太阳， 外部物质形成行星和卫星，这就 是共同形成说 太阳系行星的轨道几乎都在同一个平面 上，这就是行星运动的“共面性” 行星的公转方向相同，并与太阳自转方 向一致，这称为行星运动的“同向性” 所有行星的轨道偏心率都小，这称为行 星运动的“近圆性” 行星运动的这三个性质表明它们是在同 一个转动着的、薄的盘状体(称为太阳星 云盘)中形成的 太阳系行星可根据其大小、密度和质 量分为三类，它们依与太阳距离的由 近至远顺序排列： 类地行星 体积小，质量小，密度大 巨行星 体积大，质量大而密度小 ； 远日行星 体积、质量和密度都居中 等 这一分布特征表明这些行星的形成条 件与太阳距离有关 已经获得的太阳系岩石样品——地球 岩石、月岩、火星样品和陨石的稀土 元素丰度模式的对比发现，其元素丰 度模式接近一致（尽管其稀土含量并 不相同）此外，这些样品中绝大多 数元素的同位素组成也与太阳是一致 的 2、星际云一原始太阳星云一太 阳星云盘 星云：星云在银河系及其它星系 中普遍存在，大小在5-2太阳，光度 在1/几十到几百太 阳，中心有球状 物—原恒星，氢、氦气体占98%，尘 埃（水、甲烷、铁镁、三氧化铝等） 2% 恒星是在星际云中形成的。

星际云的密度比 恒星小得多，因此在形成恒星的过程中星际 云须首先收缩变密 星际云的总质量比恒星大得多，所以星际云 收缩的过程还应发生碎裂，瓦解为许多恒星 质量的小云 ，太阳系的小云称为原始太阳 星云 考虑太阳系形成过程中挥发、逃逸掉的气体 的质量，估算出原始太阳星云的质量范围在 太阳质量的两倍以内 原始太阳星云一开始就应具有角动量 ，处于自转状态当自转角速度超过 某一临界自转角速度时，原始太阳星 云开始出现自转不稳定，形变为扁的 旋转体(估算其极半径为赤道半径的2 ／3)原始太阳星云连续收缩，中心 部分形成太阳，而外部物质因惯性离 心力超过了中心的引力而保留下来形 成太阳星云盘，行星和卫星就在太阳 星云盘中形成的 3、太阳星云凝聚作用发生时间和 条件 但是对于星云盘中物质的汽化和气体凝 聚作用的原因目前还没有统一的认识 一种可能是星云收缩本身使星云盘中物 质汽化，然后自然冷却，发生太阳星云凝聚 作用，这是许多星云凝聚模型所采用的； 另一种途径是星云盘物质受到原太阳的 加热发生汽化和分馏，然后作为热源的太阳 辐射降低，使星云温度下降，凝聚作用得以 发生。

金牛座T星阶段之前(原太阳阶段)太阳内部不发生 核合成反应，一般温度较低随气体继续收缩，引 力势能转变为热能，使原太阳内部温度升高 从A点沿曲线向B点演化，太阳的温度升高，当太 阳中心温度升高至107K时，氢燃烧的核合成开始 ，太阳就进入了主序星阶段(C点) 使星云盘物质，特别是靠近太阳部分的物质受到加 热而汽化分馏 太阳温度有一个小的下降由于太阳温度下降造成 辐射强度降低，如果引起星云盘温度下降一个数量 级，就能满足星云凝聚作用发生的需要 4、星云盘物质演化的“就地性”原则 和太阳星云盘的分区 太阳星云盘的气态物质从凝聚作用开 始至行星的形成，基本上不发生大距 离的位移，凝聚物也是就近聚集在一 起的(不跨越行星之间的距离) 5、太阳星云盘中三大类凝聚物的不 均匀分布 类地行星区距离太阳最近，温度 高，只有凝聚温度高的土物质发 生凝聚，冰物质和气物质不能凝 聚结果形成了以土物质为主的 类地行星由于太阳系元素丰度 中土物质的丰度最低，形成的类 地行星具有质量小和高密度的特 点 巨行星区离太阳比类地行星区远得多 ，温度低，土物质、冰物质和气物质 在短时间都发生凝聚，由于太阳系元 素丰度中气物质的丰度最高，结果形 成了以气物质占比例最大，土物质比 例最小，质量大而密度小的巨行星。

远日行星区距离太阳最远，温度低且 太阳对其引力小，使大量的气物质逐 渐逃逸出太阳系，结果形成了以冰物 质和土物质为主，质量和密度都处于 类地行星和巨行星之间的远日行星 6、从太阳星云到行星的演化框架 (1)太阳进入金牛座T星阶段后，开始元 素的核合成反应，温度升高，辐射加强 ，使太阳星云盘中的物质普遍受到加热 而气化 在星云盘半径方向上，由于太阳热辐射 的强度不同，形成元素丰度上有规律的 变化，称为元素的化学分馏 与此同时，由于与太阳距离不同受太阳 风驱赶程度和接受太阳的引力也不相同 由于这三大因素的影响，造成了太阳 星云盘成分上的不均匀分布 (2)太阳进入主序星阶段之前，温度 有一个小的下降，辐射减弱，使星 云盘温度下降星云盘中气化的星 云物质发生凝聚由于星云盘内物 质的不均匀性和星云盘各区域内温 度、压力和氧逸度等条件的差异， 使星云盘不同区域发生凝聚作用的 时间和所形成凝聚物的成分不同 (3)由气体凝聚形成的各类凝聚物(戴 文赛称其为小尘粒和小冰粒)先降到 星云盘的赤道面附近，形成薄的“尘 层”，当“尘层”的密度足够大时，出现 了引力的不稳定，尘层便瓦解成许多 粒子团，粒子团聚集成星子，星子再 聚集成行星。

三、冥古宙阶段地球演化的基本特征 1、冥古宙类地行星的演化阶段 关于类地行星演化存在多种观点， 被引用较多的是Lowam(1978)提出 的二阶段演化模式 ①行星形成和核的分离； ②第一次全球性分异，行星壳形成， 晚期受到小星体的强烈撞击； 2. 地球最初的演化——外核形 成机制的探讨 1）原始地球的分层特点 原始地核(1．58％)由类M星子(类似于铁 陨石)的星子吸积形成，类AE星子(13． 9％)(类似于顽火辉石无球粒陨石的星子) 吸积在原始地幔下部，类E星子(82．52 ％)(类似于顽火辉石球粒陨石的星子)吸 积在原始地幔上部、类CR星子+类CI星 子(2％)(类似于CR碳质球粒陨石的星子 和类似于CI碳质球粒陨石的星子)吸积在 原始地幔表层 原始地球分层描述为：从地表向下83km ，是主要由含水硅酸盐矿物组成的原始 地幔表层； 83—3444km为原始地幔上部，主要由 无水镁硅酸盐和金属Fe—Ni及硫化物组 成； 3444～6177km为原始地幔下部，主要 由无水镁硅酸盐组成； 6177—7672km(地球核心)为金属Fe—Ni 组成的原始地核。

厚度比为1．08：43．81：35．62：19．49 2) 地球早期演化过程中能量的分布趋势 地球内部能量的来源主要是引力势能和放射 性元素的蜕变能 引力势能中以吸积能为主吸积能是地球吸 积形成过程中释放出来的能量，它直接影响 行星最初的加热程度； 放射性元素的蜕变能有一定的积累过程，随 时间的推移，放射性元素的蜕变能逐步在地 球演化中占主导地位 地球刚刚形成时，大约50％的吸积 能分布于最上部的1／3质量的原始 地幔中最上部原始地幔包括了原始 地幔上部和原始地幔表层，后者仅占 总质量的2％，它处于地球最外部， 能量散失快，在没有其他能量支持的 情况下升温不会很快 所以，由吸积能引起的温度上升应主 要发生在原始地幔上部，也就是由类 E星子组成的原始地幔部分 在地球演化的第二阶段，由于 放射性元素蜕变热的积累，原 始地幔的上部，特别是表层的 温度会较快的升温 3)处地球最初的演化——核幔物质分离和外 核形成 (1) 地球外核形成需要的条件 地球形成时，在地球中心的位置已经有原 始地核存在，由类M星子(类似于铁陨石)组 成，它是现代内核的雕型因此在地球演 化的第一阶段，主要的地质事件是外核的 形成，也就是原始地幔中类E星子中的金属 Fe—Ni和硫化物(陨硫铁为主)，发生熔融形 成Fe—Ni—S熔体，并在重力作用下沉落至 原始地幔底部，在原始地核外面形成了外 核。

可见，地球外核形成需要两方面的 条件： ①原始地幔升温，使其中的金属 Fe—Ni和硫化物发生熔融； ②原始地幔有足够大的孔隙度，使 Fe—Ni—S熔体在重力作用下向下 运动 (2) 外核形成温度和核幔物质分离机 制 实验研究表明，10．0GPa压力下， Fe—Ni—S体系的共结点(即共熔融) 温度为1158℃，随压力减小，共结 点温度下降3．0GPa压力下，共 结点温度只有992℃ 可以推断，地球外核形成所需要的温 度在1000℃以下 原始地幔表层处于地球表面，能量 散失快，温度难以升高因此，地球 中的水仍然保留于原始地球表层的含 水硅酸盐晶格中，此时的地球内部和 地球表面没有液态水存在 3、演化的第二阶段——第一次 全球性熔融和原始地壳形成 （1）第一次全球性熔融作用的结果 —原始地壳和原始大气层的形成 演化的第二阶段中，原始行星幔发生 几乎全球范围的熔融，使原始行星壳 从原始幔中分离出来----在表层出现 若干岩浆洋和大量的火山活动 月球上已发现年龄约为4．2—4． 1Ca的斜长岩质月壳，厚度约60km( 欧阳自远，1988)虽然地球原始壳 由于后期的演化已不保存，但地球的 质量比月球大得多，因而地球有比月 球大得多的吸积能和放射能，这使我 们确信地球也经历了上述阶段。

(2)原始地壳的可能厚度 原始地壳厚度约为270km 比较行星学研究认为，从地球一。