冥古宙的地球演化.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。,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23)。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。 行星形成和核的分离； 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(158)由类M星子(类似于铁陨石)的星子吸积形成，类AE星子(139)(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(8252)(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；833444km为原始地幔上部，主要由无水镁硅酸盐和金属FeNi及硫化物组成；34446177km为原始地幔下部，主要由无水镁硅酸盐组成；61777672km(地球核心)为金属FeNi组成的原始地核。 厚度比为108：4381：3562：1949。,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13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FeNi和硫化物(陨硫铁为主)，发生熔融形成FeNiS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： 原始地幔升温，使其中的金属FeNi和硫化物发生熔融； 原始地幔有足够大的孔隙度，使FeNiS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，100GPa压力下，FeNiS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。30GPa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4241Ca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，从地球一金星-火星-水星，其演化程度逐步降低，而它们现代壳的厚度依次增加，分别为30km、100km、200km和500kan。可见，行星壳的厚度与演化复杂程度呈反消长关系，演化越复杂的行星，现代壳的厚度越小。因此，可以推断，地球原始壳的厚度应比现在的地壳厚得多。,3）原始地壳成分的不均一性 原始地幔上部发生最初的熔融作用形成了硅酸盐熔体。硅酸盐熔体在分异出富Si、A1质相后，其余的富Fe、Mg质熔体经过结晶分异可能形成斜长岩质的堆积和玄武岩岩浆的溢流。 因此，原始地壳的成分在横向上可能变化很大：它们可能由富Si、Al质的、斜长岩质的和玄武岩质的组分组成。 月壳成分的不均一性提供的证据 月岩中高地斜长岩、月海玄武岩,与原始行星壳形成的同时，伴随了行星内部的去气作用，形成了最初的行星大气层。 地球最初的熔融作用所达到的温度也足以超过该层中含水矿物的脱水温度(蛇纹石在常压下的脱水温度约500左右)。因此在熔融过程一开始，原始地幔表层中的水就几乎全部从含水矿物中脱出而进人大气，温度上升至硅酸盐的熔点时，地球内部已成为无水状态。,4、撞击成坑和最初的水岩相互作用 1）原始地壳形成后发生的地质事件撞击成坑事件 月球在41亿年39亿年前发生了强烈的撞冲成坑事件(欧阳自远，1988)； 类地行星（水星、金星、地球、火星、小行星带）在形成的早期阶段无一例外遭受强烈的陨击； 行星的自转并不一致，如金星逆转； 行星并非在一个平面上。,2)海洋形成 目前地球上发现最古老片麻岩的年龄为3.8亿年4.0亿年，此类岩石中碎屑状锆石的年龄为41亿年43亿年(BowringandHoush，1995)。由此可判断此片麻岩的原岩是沉积形成的碎屑岩，从而说明38Ga前或更早地球表面就有了海洋。 太古代岩石中较大量海相沉积地层的出现，比如，太古代条带状含铁建造最老年龄达37亿年(温德利，1989)。,借助CI型碳质球粒陨石中水的含量(20)作为类CR和CI星子中含水量，已计算出了原始地球表层含水量约占全球质量的04。假定原始地幔表层矿物中的水在原始地壳形成时全部排出，成为水蒸汽进入原始大气圈，然后又全部发生凝聚降落在地表。可计算出，最早的大气降水在全球表面形成水圈(海洋)的深度为40km。 强烈的陨击, 使地球大气中尘埃含量剧增，大气透明度下降，接受太阳辐射大大减少，大气和地表温度下降。最后造成大气中水蒸汽的凝结，使地球表面发生普遍降水，原始海洋形成。,5、小 结 地球形成时，由类M星子组成了原始地核，由类AE星子组成原始地幔下部，由类E星子组成原始地幔上部，类CR星子和类CI星子组成原始地幔表层。 这五类星子的成分分 别与铁陨石、顽火辉石无球粒陨石、顽火辉石球粒陨石、CR球粒陨石和CI球粒陨石类似。 大约46亿年43亿年前是地球演化的第一阶段。由吸积能引起原始地幔上部升温，使其中的金属FeNi和硫化物发生熔融，形成FeNiS熔体。FeNiS熔体在重力作用下沉人原始地幔底部，在原始地核外面形成地球的外核。原始地幔中少量的P、Na、K、C、0、H等轻元素可能加入FeNiS熔体，成为外核的次要组分。,5、小 结 43亿年38亿年前是地球演化的第二阶段。 (1)放射蜕变热的积累使原始地幔上部和表层逐渐升温，发生全球范围的熔融和熔融分异，形成了原始地壳。 根据其他类地行星和月壳厚度估算，原始地壳厚度约270km。 与此同时，地球表层中原来存在于矿物晶格中的水和其他挥发物质几乎全部脱出，形成了一个富含水蒸汽的原始次生大气。根据月岩研究和球粒陨石熔融实验，推断原始地壳的成分是不均匀的。在横向上可能变化很大，它们可能由富Si、Al质的、斜长岩质的和玄武岩质等多种岩石组成。,5、小 结 (2)41亿年39亿年前，地球表面遭受强烈的撞击成坑事件。 结果使地球大气中尘埃含量剧增，大气透明度下降，接受太阳辐射大大减少，大气和地表温度下降。最后造成大气中水蒸汽的凝结，使地球表面发生普遍降水，原始海洋形成。最初海洋的平均深度约为40km。这就使得已经遭受撞击破坏的原始地壳完全被浸泡在海水之中。 (3)大约40亿年38亿年前，海水对岩石的破坏、溶解、搬运，使原始地壳的撞击坑地貌完全被破坏，从而造成地球最初8亿年的历史记录完全从地表消失。,6、其他行星 水星 密度:5.44 半径:2439Km 星壳:富铁硅酸岩，500Km 星幔:固态硅酸盐 ，200Km 星核:熔融Fe-Ni, 1700Km（熔岩平原，没有大型火山、大裂谷、风 蚀、流水侵蚀物，陨击坑发育，古老表面） 金星 密度:5.42 半径:6052Km 星壳:硅酸盐+碳酸岩;100Km上幔：熔融硅酸盐,800Km ,下幔：固态硅酸盐2200Km 星核: Fe-Ni,3000Km（与地球处于大体相同的演化阶段）,地球 密度:5.52 半径:6378Km 星壳:硅-铝- 镁，5-60km 星幔:Fe-Mg硅酸盐.上幔部分熔融 610Km,下幔固态2230KM 星核:Fe-Ni,外核液态 2200Km，内核固态，1270Km(地震、火山活 动十分强烈，地质演化十分活跃） 月球 密度:4.34 半径:1738 Km星壳:斜长岩、玄武岩 60150Km 星幔：Fe-Mg硅酸盐，局部熔融 1300Km 星核:Fe-FeS硅酸岩，350Km(30亿年前，物质分异+大规模熔岩喷 发，圈层分化很低水平，接近原始状态，月表无大变化),火星 密度:3.9 半径:3395Km 星壳:安山岩，200Km 星幔:硅酸盐，2000km 星核:Fe-FeS,1200km，熔融+K(遭受显著剥蚀的陨击坑，大型的活 动火山和熔岩平原，地堑和大裂古，网状河系，冰川；没达 到地球水平，比月球分化程度高，处于早期阶段) 木星 密度:1.3 半径:71398Km 大气层:1000Km，氦11%，氢88%木壳:液态分子氢，27000Km，没有固体表面，具斑纹，大红斑-自 转周期条带：赤道自转周期9时50.5分，纬度100以上自转周 期9时55分，木幔:液态金属氢(独立原子),44000Km,300万大气压,1.1万0C，导 电液体（很强磁场）木核:富Fe硅酸,1500Km,3万0C(一般认为:相当地球的天文演化阶段）,1.2物质组成： 地球形成时包含了大量的挥发物质。物质来源为星云气体和尘埃。 气体：不断的散失： 类地行星靠近太阳，温度较高，氢、氦等挥发物质在行星积聚过程中蒸发，被太阳光压和太阳抛射的物质驱赶出太阳系； 在很高的压力之下，氢可能成为液体，氢和氦占地球质量的大部分。 土物质：铁、镁、其它金属氧化物、硅酸盐等占0.44%,则是现在地球及类地行星的质量。,原因： 2.1 吸积作用，在地球的天文演化阶段一直存在，并在地球基本形成之后仍存在，如陨击作用，陨击体受引力作用坠落地球，-动能=热能，部分散失，部分保留在地球内部。 2.2 收缩作用，原始地球体积比现在大的多，充满气体=在引力的作用下，发生收缩，现代地球平均密度 较大，收缩量是可观的，-收缩能=热能。 2.3 放射性元素的蜕变，铀、钍、钾放射性元素的蜕变产生原子能。（如铀236、钐146、钚244、锔247在107-108（百万-千万）年间，足以使地球增温2000-30000C） 2.4随温度上升，较重元素（如铁、镍，占地球质量的1/3）在重力的作用下移向地核，重力能释放=转变为热能，可增温20000C.这些热能一方面不断向宇宙空间散失，一方面在地球上保存起来，尤其当地球岩石圈形成之后，它们导热性能低，起到热能的保护层作用，热能的积累可能加速。当然这是一个漫长的过程。,3运动状况 3.1 公转运动状况： 行星公转与自转的规律性，是行星在转动的星云盘（尘层）内形成的，行星的公转有共向性；由于星子间的碰撞的随机性，使行星公转轨道的偏心律和轨道面倾角有较大变化； 从星云说星云盘（尘层）来看，太阳系行星轨道的半径要比现今的轨道半径小：由于早期太阳要抛射出大量的物质导致引力减弱行星轨道半径增大。,3.2 自转运动的状况： 地球的自转是随地球的形成过程逐渐发生的（形成就自转），在天文时期，自转最初缓慢-后期快速自转的演化过程（速度加快，周期变短）；最初很可能是同步的。-随着轻物质的挥发、球体收缩、加热.重物质向地心移动=导致了转动惯量减小=（角动量守恒）=自转加速。 *在地质时期，地球的自转速度一直在减小，与上述不同。,四、天文演化阶段末期固体地球 各原始圈层的形成方式及其基本特征,4.1原始岩石圈: 大规模的熔岩喷出和固结是原始地壳形成的直接方式。液体外壳=固体外壳 喷出过程中，挥发组分遗失，体积收缩，不断加热。 薄壳被陨击、构造运动破坏，重新融化，再度固结，反复进行。 表壳岩是地球上最古老的岩石，它门是玄武质的，这和水星、月球、火星现在表面情况相似。 表面形态：高地和洼地，起伏不平，与月球表面相仿（月陆和月海）； *火山作用、陨击作用、构造运动的结果。,4.2 原始大气圈 天文大气圈：较稠密的氢和氦=不断的向宇宙中散失； 地质大气圈逐渐取代天文大气圈，火山喷发的挥发分是地质大气圈主要物质来源 地质大气圈：二氧化碳CO2、一氧化碳CO 、甲烷NH3、氨NH4CL、惰性气体等（类似火星） 氧、氮较重，有可能保存下来。,4.3 原始水圈： 火山活动、熔岩喷发过程释放的分异物-气体-水蒸气0.2-3%,存在于大气，降落地表=水。 水较大气重，较岩石轻，在它们中间找到了位置。有大气的保护，不会散失。 原始仅相当现在的1/101/5，存留在低地。 *是否有些来源于星云中的冰？,4.4 原始生物圈： 生物的早期演化含：简单物质有机化合物有机大分子团聚体原核生物。 大约在38亿年前，生物圈的化学演化阶段就完成了；在澳大利亚西部皮尔巴拉地块找到了35亿年的微体化石和叠层石。 生命的化学演化阶段亦可能开始更早，在宇宙空间中发现有氨基酸和核苷酸=有机化合物。,4.5原始的地幔和地核： 与原始岩石圈同时形成； Fe-Ni等重元素移向地心，气体和易挥发元素分异上升，地球内部的不断加热，加速这一过程。 此时的地幔和地核很可能与现今的月球状况相似，-核很小，350Km,是个熔体，100012000C, 根据月球的平均密度与表面岩石的平均密度相比，月幔、月核密度略大于月壳密度，很近似均质球体,4.6 原始的软流圈： 原始地幔和地核向上分异的挥发组分及其较轻物质不大可能以连续的直接方式到达地表，因为有了岩石圈。它们要在薄弱的岩石圈下贮存起来，挥发分降低了熔点，引起了大规模的熔化，大量熔岩物质的存在导致原始岩石圈之下的软流圈的形成。,