地球的起源(上)

地 球 的 起 源（上）目 录1. 前言-22. 地球特征-22.1 地球的转动、形状、大小和结构-22.2 地球的表面形态-52.3 地球的一些活动现象-92.4 有关地学的理论和假说-123. 地球的成因-183.1 地球的成因-183.2 地球成为太阳系的行星 -193.3 地球内部运动-204. 地壳运动的产生-204.1 概念和动力来源-204.2 模拟试验-214.3 地球自转离心力导致地壳各区块向赤道方向运动-225. 地表构造形态的成因-226. 地磁、地震、火山的成因-256.1 地磁成因-256.2 地震的成因-266.3 火山的成因-281. 前言1.1 问题的提出1978年1981年，作者在长春地质学院地质系读书时，学习地质学基础、地质力学、构造学等等课程，就向老师请教：地球是怎么形成的？地球为什么会转？地震、地磁、火山是怎么形成的？地壳为什么会运动？ 时至今日，这些问题仍然是问题。无论是从事地学教育、地学科研、地质生产工作，这些问题是不能回避的。1.2 地学和天文学应结合地球是太阳系的一颗普通行星，是宇宙中的一个普通天体。地学的上述问题的答案与太阳系的成因，与宇宙奥秘是连在一起的。在以往的教学和科研中，地学和天文学是分离的。地学只限于脚下的地球，天文学只是仰望头上的天空。离开太阳系，地球就是宇宙中的一颗孤星，地球上的所有物质都是宇宙物质。地学仅仅限于地球，将是“一足”之见。地球是人类踩在脚下，生存其上的宇宙天体、太阳系的行星。天文学的研究若不顾地球，将是无“基”只谈。地学和天文学应充分结合，完成星球、星系起源和宇宙奥秘的使命。1.3 科学研究工作程序科学的研究工作一般遵循以下程序：、收集资料收集资料包括前人已有资料，也包括自己调查资料和实验资料，既要收集本学科资料，也要收集相关学科资料。根据所要研究的课题和所要解决的问题，尽可能详尽、客观和系统地收集各种有关的数据、样品和其它资料。、归纳、综合和推论，提出理论或假说对所收集的资料进行加工整理、归纳、综合，并利用科学的研究方法和原理，作出符合客观实际的推论，提出理论或假说。、检查验证通过生产实践或科学实验来证实或检验推论是否正确，并在实践的过程中不断地修正错误，提高认识，总结规律。由于不能用实验的方法将地球的成因、发展和演化做出来，只能提出一些假说。对假说进行比较分析，哪一个假说能更多和全面解释所研究对象的特征，这个假说就接近真理。2. 地球特征 要探讨地球的成因就必须认识地球了解其特征，也就是收集和整理地球资料。2.1 地球的转动、形状、大小和结构2.1.1 地球的转动地球是一颗倾斜在轨道上自转和绕太阳公转的行星，地球绕太阳公转的轨道面叫做黄道面，地球的赤道面同黄道面的夹角为2326，图2-1-1是地球倾斜在轨道上转动的示意图。 图2-1-1 地球倾斜在轨道上转动示意图地球到太阳的平均距离叫做1个天文单位，长度为1.496108公里。地球绕太阳公转的周期为一年，地球在轨道上运动的平均速度为29.8公里/秒。地球每天绕自转轴自转一周，赤道处的线速度为465米/秒。2.1.2 地球的形状、大小通过对地球卫星资料分析得知：地球在横的方向即纬度，在纵的方向即经度都不是正圆形。地球赤道的形状呈椭园状，长轴比短轴长约430米，长轴指向西经20度和东经160度的方向。地球赤道平均半径为6378.1公里。图2-1-2是地球纬度形状示意图。 图2-1-2 地球纬度形状示意图 图2-1-3 地球经度形状示意图地球的北半球向外稍尖而凸出，南半球向内凹，北极高出球面19米，南极低于球面26米，南北极相差45米，从赤道方向看地球近似一个“梨”的形状，图2-1-3是从赤道方向看地球的形状示意图。地球两极平均半径为6356.8公里。2.1.3 固体地球的内部结构通过对地震纵波和横波在固体地球内部传播和变化情况，已经确认固体地球是一个圈层状结构的球体。图2-1-4是相关学者绘制的地震波曲线与固体地球结构示意图，表2-1-1是相关学者测量的地球内部一些数据。 图2-1-4 地震波曲线与地球结构示意图表2-1-1 地 球 内 部 数 据地球圈层名称深度（公里）地震纵波速度（公里/秒）地震横波速度（公里/秒）密 度克/立方厘米物 质 状 态地 壳0335.67.03.44.22.62.9固态岩石圈上地幔339808.110.14.45.43.23.6部分熔融物质下地幔980290012.813.56.97.25.15.6液态固态物质外地核290047008.08.2不能通过10.011.4液态物质过度层470051009.510.312.3液态固态过度带内地核5100637110.911.212.5固态物质从物质存在状态可将固体地球的结构划分为：固态液态固态三大部分，在两种物态中间是过渡带。为了研究地球的成因，依据物质存在状态，本文将固体地球内部进行如下结构划分：固态地核（原内地核）、液态地幔（原外地核）、固态地壳，如图2-1-5。液态地幔同固态地核存在过度层，同固态地壳存在过度层即原来叫做的下地幔和上地幔。图2-1-5 地球结构示意图2.1.4 地球的外部结构在固态地球外部存在水圈、生物圈和大气圈。在地球的表层由水体所构成的连续圈层叫做水圈，水能以汽态、液态和固态三种形式存在，按水所在的位置或环境将水分为：海水、陆地水和大气水。地球的总水量大约为：1.361015立方米，如果将全部水平均覆盖到地球表面可深达2700多米厚。在地球的表层由生物存在和活动所构成的连续圈层叫做生物圈，绝大多数生物活动在水深200米到空中200米以内的范围。有些生物能在极端的条件下生存，在海洋几千米以下的水域有鱼的存在，在太空有生物孢子。在地球周围所聚集的气体圈层叫做大气圈，依据大气的物理性质和运动特点，从地表向上将大气圈划分为：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。在地球上3000公里的高空，空气已是极其稀薄，空气粒子将挣脱地球引力逃向太空，该处以外视为宇宙太空。2.2 地球的表面形态2.2.1 海底地形(1)、太平洋海底地形图2-2-1是太平洋海底地形图。通过图可以看到太平洋海底地形具有以下特点：多条大洋海沟分布在太平洋四周，海沟长几千公里，深几千米，最深的位于太平洋西部马里亚纳海沟深达11034米；在东太平洋有一条巨大的海洋隆起叫做东太平洋高原，呈弧状，弧凸向东；在弧状的东太平洋高原的内侧即西部为广阔的海洋盆地；在广阔的海洋盆地中分布着群岛和大洋山脉。 图2-2-1 太 平 洋 海 底 地 形(2)、印度洋海底地形图2-2-2是印度洋海底地形构造图。印度洋海底地形具有以下特点：其山脉和构造带呈“人”字形分布，“人”字头部指向赤道；海底山脉发生向北即赤道方向平移错动；在低纬度赤道附近构造错动强烈。图2-2-2 印 度 洋 海 底 地 形 构 造 图(3)、大西洋海底地形图2-2-3是大西洋海底地形图。大西洋海底地形具有以下特点：海底地形复杂，有众多的海脊和海盆；北大西洋和南大西洋海底地形有所不同，可以分为北大西洋海底地形和南大西洋海底地形两大部分；所谓的大西洋海脊没有相互连接，分为北大西洋海脊和南大西洋海脊，这两大海脊在赤道附近各自弯曲，两者相距近千公里；大西洋中的海脊有多条弯曲呈弧状，在弧的内侧为广阔的海盆，海盆的外侧为海脊。2.2.2、 陆地地形 (1)、欧亚大陆地形图2-1-4是世界地形图，欧亚大陆地形具有以下特点：世界最高的山峰位于欧亚大陆的喜马拉雅山的珠穆朗玛峰，海拔8848米；山脉呈弧状，弧凸向赤道，在弧的内侧为广阔的平原，平原之中分布一条南北向的山脉即乌拉尔山脉。图2-2-3 大 西 洋 海 底 地 形 图(2)、北美洲和南美洲地形北美洲和南美洲的山脉位于西部，同太平洋相邻。山脉也存在弧形弯曲，在低纬度近赤道附近弯曲度大，高纬度弯曲度小。在弯曲山脉的内侧为广阔的平原。通过河流的分布和流向可以看出，在平原内分布低矮隆起或丘陵。(3)、非洲地形非洲的山脉位于东部，在低纬度也存在弧形弯曲，弧凸向陆地，弧的内侧为海盆。2.2.3、 海洋地形和陆地地形的共同特点(1)、在低纬度的隆起、高原或山脉呈弧形，而且弯曲度大；(2)、在呈弧形弯曲的隆起、高原或山脉的内侧是开阔的平原或海盆；(3)、在开阔的平原或海盆内分布有隆起和山脉；(4)、各大陆和大洋的面积大小不同，形状不同，高低纬度位置不同，其地形地貌各有特点；(5)、东太平洋高原、印度洋和大西洋的海脊在南极海底相连。图2-1-4 世界地形图2.3 地球的一些活动现象2.3.1 地球的磁性地球是有磁性的，简称叫做地磁，磁针能指明地磁南北两极。地理两极和地磁两极不在一个位置。目前北半球的磁极位于北纬7050和西经10050的点上，该点位于加拿大北瑟斯岛，南半球的磁极位于南纬6620和东经140的点上，该点在南极。地磁子午线即磁针在某点水平面上所指的方向与地理子午线有一个夹角，这个夹角叫做磁偏角。在火山岩和沉积岩形成过程中，一些能被地磁场磁化的矿物，在它们的成岩过程中就保留了当时的地磁场情况。通过古地磁研究，现在已经证明地磁在地质历史时期中多次发生磁极倒转。图2-3-1是大西洋脊一个位置的古地磁测量成果图，图中黑色部分是正磁异常，白色部分是负磁异常。图2-3-2是地磁极反向与正向年代图。地磁不仅在地质历史中发生极性变化，而且在现在，地磁强度在地球上各处是不相同的。图3-3-3是全球地磁场强度图。图2-3-1 大西洋脊古地磁测量图图2-3-4 地磁北极光照片 图2-3-2 地磁极反向与正向年代图图2-3-3 全球地磁场强度图地球的磁场和太阳黑子所产生的磁场强度相差上万倍。太阳所发生的磁爆给地球磁场造成相当大的影响。在迎着太阳方向，地球的磁场能向外延伸5万公里；在背着太阳的方向，地球磁场能向外延伸10万多公里。在地磁两极，由于地磁场捕获高能电子，这种高能电子在地磁场两极产生极光现象。在南极的叫南极光，在北极的叫北极光，见图2-3-4。这是磁场和电子的作用，除了产生光外，能否产生热量呢？还没有见到这方面的资料。2.3.2 地 震在地球内任何一部位发生的快速颤动叫做地震。(1)、地震的破坏1976年7月28日中国唐山发生7.8级大地震，造成近25万人死亡；2008年5月12日中国汶川发生8.0级大地震，造成近10万人死亡；2010年4月14日中国玉树发生7.1级大地震，造成2千多人死亡。这些地震都给人类造成巨大伤亡和财产损失。图2-3-5是青海玉树县7.1级地震的现场照片。图2-3-5 青海玉树县7.1级地震一组照片(2)、地震在地球纵方向的分布通过地震仪的记录，在地球上每年发生500多万次地震，见表3-3-1。表3-3-1 地震震级与地震次数统计表地震震级8.0-8.97.0-7.96.0-6.95.0-5.94.0-4.93.0-3.92.5-2.92.5地震次数 1181208006,20049,000100,0004,850,000地震大多数发生在地下5-20公里的地壳范围，有的地震震源深度可达地下700多公里。图2-3-6是地球部分地区震源深度剖面图。图3-3-6 中国东北千岛海沟震源深度剖面图(3)、震中在地球表面的分布在地球上，绝大多数地震发生在大洋海脊、大洋边缘和陆地山脉强弯曲地带，图2-3-7是世界地震震中分布图。图2-3-7 世界地震震中分布图2.3.3 火山与岩浆活动人类已目瞩了地球上火山喷发的壮观景象，以及火红的岩浆从地下涌出的惊人场景。2010年4月14日冰岛第五大冰川埃亚菲亚德拉冰盖冰川下一座火山发生喷发，火山烟尘横扫欧洲，迫使许多机场关闭，航班取消。每天给欧洲航空业造成1.47亿欧元(约合2亿美元)损失。图2-3-8是冰岛第五大冰川埃亚菲亚德拉冰盖冰川下一座火山喷发的一组照片。图2-3-8 冰岛第五大冰川埃亚菲亚德拉冰盖冰川下一座火山喷发的一组照片2.3.4 地壳活动地壳活动导致岩层、地层发生弯曲或产生错动和裂开，这些地壳活动所形成痕迹，在野外的岩层和地层中常常能看到：图2-3-9是复式褶皱照片，图2-3-10是单式褶皱照片，图2-3-11和图2-3-12是岩层错动照片。图2-3-9 复式褶皱照片 图2-3-10 单式褶皱照片图2-3-11 岩层错动照片 图2-3-12 岩层错动照片2.4 有关地学的理论和假说2.4.1 收缩说在十六世纪，意大利天文学家布鲁诺提出：地球上产生的岩层弯曲是由于地球收缩引起的。地球好比一个苹果干了，苹果皮就会发生收缩和褶皱。该学说认为地球原来呈熔融体状态，由于散热冷却发生凝固形成地壳。后来这个学说随着星云学说的兴起而得到了发展。图2-4-1是该学说地球收缩机制示意剖面图。 图2-4-1收缩机制示2.4.2 膨胀说膨胀学说是依据物质的相变原理而提出来的。在地壳下层是玄武岩，而在地幔上部是橄榄岩。这两种岩石的化学成分大体相同。但是玄武岩比橄榄岩密度小体积大。两种岩石可以相互转化，在高温高压下形成橄榄岩，在相对低温低压下形成玄武岩。当地球的温度降低时，橄榄岩会转变形成玄武岩，因此地壳体积增大密度变小。所以该学说认为地球不是在收缩，而是在膨胀。膨胀作用使地球表面产生张性裂口，以及裂口之间地块的相互挤压，这样地球表面就形成了岩层的弯曲发生褶皱和断裂。由于地球热量的不均衡以及各部分物质的不均衡，也必将产生差异的挤压和断裂。2.4.3 均衡说从图2-4-2我们知道，将相同截面面积和相同重量而密度不同的三块物体放到液体中，三块物体在液体里都处在一个平面上，但露出液体面的高度不同，密度小的比密度大的物体高于液体面。从图2-4-2我们知道，在相同截面和相同密度下，将三块重量不同的物体放入液体中，重量大的物体在液体中比其它两块深，这就是物体在液体中的均衡现象。均衡学说认为：当地球表面的高山在风化作用下被剥蚀变低了，剥蚀掉的物质被搬运到低洼处沉积下来（见图2-4-2），为了保持均衡，被剥蚀变低的地方就会抬升，而接受剥蚀物的低洼处就会下降，以此来保持均衡，由于抬升和下降，从而引起地壳运动。图2-4-2 均衡说机制示意图2.4.4 板块构造学说这门学说是现在地学的主流学说，受到众多地学界人士的认可。这门学说的前身是大陆漂移学说，进一步发展为海底扩张学说，最后成为板块构造学说。1910年，德国气象学家魏格纳患病在床上，他发现挂在墙上的世界地图，大西洋两岸的轮廓竟是如此地相对应，因此在他的脑海里就形成了非洲大陆和南美洲大陆在地质时期里曾经是在一起的，大西洋是后来从这两个大陆中间形成的，发生了大陆漂移。后来，魏格纳又从古生物上寻找大陆漂移的证据。在大西洋两岸大陆相对应的一些位置，有相同的古生物群分布。在大陆漂移学说提出之前，有人提出陆桥学说来解释这些古生物群相似或相同的现象。除从大西洋两岸陆地存在的古生物上获得支持大陆漂移的证据外，魏格纳又从大西洋两岸陆地对应的地层岩石和地质构造上寻找大陆漂移的证据。从所搜集到的这些资料，对大陆漂移学说起到了一定的有利证明作用。在古冰川学研究方面所取得的冰川资料，也有的学者用来证明大西洋两岸的大陆曾经是连在一起的。魏格纳通过系统搜集地理、地层、构造、古地理、古气候、古生物等资料。于1915年发表了海陆的起源一书，从此大陆漂移学说就诞生了。魏格纳认为：地球上原来只有一个大陆叫做泛古陆，这个大陆在古生代石炭纪前是连在一起的。图2-4-3是魏格纳的泛古陆漂移形成现在的陆海分布图。图2-4-3 大陆漂移学说的泛古陆漂移图后来又有人提出和魏格纳不同的见解，认为在原来的地球上存在两个古老大陆，在北半球的叫做劳亚古陆，在南半球的叫做冈瓦纳古陆，见图2-4-4。图2-4-4 大陆漂移学说所划分的南北两个古老大陆图15