地球科学概论第二章.doc

第一 节   混沌初开--宇宙始于大爆炸？

    “混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊者下凝为地”。
                                                                  － 中国古代的贤哲

    作为自然科学研究的具体对象，宇宙是一个有限的客观存在。这样一个宇宙，应该有它的开端。

宇宙是怎样开端的呢？
    20世纪初，天文学家斯里弗尔 （V.M. Slipher, 1875-1969)
    在观测银河系外的仙女座大星云时，取得15个星系的光谱资料，经过研究，发现其中13个正在以每秒数十万米的高速退行，即离开我们愈来愈远。
    1929年，哈勃 (E.P. Hubble,1889-1953)
    根据观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的速度和它与我们(地球)的距离成正比，即离得愈远退行愈快。这个发现告诉我们，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们已知的宇宙正在膨胀。

    爱因斯坦(Albert Einstien, 1879-1955) 在1916年提出的广义相对论
    · 演绎出宇宙在膨胀的理论。
    · 哈勃的发现被认为是对这些理论的验证。以后的天文观测继续有新的发现，证明宇宙在膨胀，曾测到有的河外星系之间，正以每小时2,500,000km的速度在拉开距离。

    比利时天文学家勒梅特(G.E.Lematre,1894-1966) 1927年就提出：
    · 宇宙为什么会膨胀呢？
    · 膨胀的宇宙会不会是爆炸的产物呢？
    《BIG BANG》－大爆炸
    · 宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密

    · 温度约1032°K，绝对温度1亿亿亿亿度
    · 显然这只能维持极其暂短的平衡，一旦平衡破坏，就发生大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙
现在认识：
    · 大爆炸后1秒钟，温度降到1010°K，粒子间的强相互作用、弱相互作用、电磁力和引力开始分开。
    · 在高温下处于基本粒子状态的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子

约在大爆炸后50 - 100万年
    · 首先由电子和质子合成氢原子
    · 接着是氦原子也大量生成了
    · 随后其他所有元素的原子从轻到重依次聚合而成

爆炸后100万年到20亿年
    · 逐步形成各类天体星系
    · 恒星起源与演化
    · 恒星最初有弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加热过程而形成。

四个阶段：
    · 1、幼年期—原恒星（Protostar)
    · 2、青壮年期—主星序（main sequence star)
    · 3、晚年期—红巨星／超巨星
    · 4、衰亡星—致密星（白矮星／中子星／黑洞）
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赫（茨普龙）、罗（素）图和主星序

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巨蛇座鹰状星云（M16)
恒星在这里诞生
麒麟座玫瑰星云
（约50万岁的“婴儿”恒星）
超新星遗迹
（大麦哲伦星云中的1987A超星型）
天琴座环状星云
（中心为白矮星）

艾萨克·牛顿
(1642-1727)

区尔伯特·爱因斯坦
(1879-1955)

埃德温·哈勃
(1889-1953)

乔治·盖莫
(1904-1968)
怎麽能证明150亿年前发生过这样的大爆炸呢？
    · 爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到40000K以下时才开始形成
    · 现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿年，符合这个理论的推断。
    · 特别是盖莫夫(G.Gamow，1904-1968)预言：在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今还存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温度几度。

彭兹亚斯(A.A.Penzias,1933- )和威尔逊(R.W.Wilson,1936- )发现：
    · 1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望远镜，在各个方向都测得一种3K的微波背景辐射。大爆炸理论得到了有力的支持。
    · 为此他们得到了1978年的诺贝尔物理学奖金。

其它证据：
    · 现在测得的不同天体上氦的丰度，即它在天体中的含量，一般都达到30%左右，仅仅太阳上那种氢合成氦的作用，是不能造出这么多氦的，而大爆炸能做到
    · 因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实
    · 天文观测中已多次记录到超新星爆炸
    · 另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都可以作为佐证。

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第二节   太阳系的起源
大爆炸发生约100亿年之后 太阳系出现

.
哲学家康德(Immanuel Kant, 1724-1804) － 星云说
    · 在献给普鲁士国王的《自然通史和天体理论》中假定：最初“整个宇宙的物质都处于分散的状态，并由此造成一种完全的混沌”，“ 构成我们太阳系的星球的物质，在太初时都分解为基本微粒，充满整个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有引力的作用，使这些原始的弥漫物质逐渐分别凝聚，形成了太阳系内的各天体。

拉普拉斯(P.S.Laplace, 1749-1827)
    · 在一本科普读物《宇宙体系论述》的附录中，对太阳系的形成，作出了自己的解释并广为流传
    · 拉普拉斯虽没看到过康德的书，但他自己独立提出的见解却与康德大同小异，而且充实了星云说
    · 旋转星云析出圆环，圆环一次又一次地被分出来，并分别凝聚结成行星，行星周围的卫星也有着类似的形成过程
    · 星云中心部分则收缩成为太阳（不知热核反应）

星云说不能解决太阳系中许多问题

    太阳和行星的单位质量的角动量，应该是一样的，但实际上相差近100倍

星云－太阳系－堆积的地球
20世纪初期－中期
    · 灾变说
    · 潮汐说
    · 俘获说（苏联 斯密特〕：
        原始太阳随银河系公转，在经过有大量星际物质弥漫的空间时，将它们吸引在周围，成为行星的物质来源的，用外来物质形成的行星，角动量可以和太阳不同

1942年瑞典物理学家阿尔文(H.O.G.Alfven,1908- )
        太阳可以通过磁场的作用，把自己的一部分角动量转移给形成行星和卫星的云团
        电磁场的作用能说明在太阳系形成的过程中，从中心抛出物质的质量虽不多，但带走的角动量可以很多

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第三节   地球的诞生
天，积气也；无处无气。地，积块（土）也；充塞四虚，无处无块”
                                                                     － 列子·天瑞
天是气的集合，地是土的集合
                                                                     － 古代贤哲的卓识
20世纪30年代末天文观测证实
    · 在银河系中，有许多气体和尘埃存在
    · 这些气体主要是氢和氦。气体在这些星际物质中，按质量计要占到98%左右
    · 尘埃里主要是水、甲烷和氨等液体、气体冻结而成的固体微粒；还有少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体材料。固体物质不及2%，颗粒细微，半径只有0.0001(万分之一)厘米左右，微粒弥漫在整个太空中

地球的成分
    · 氢和氦的含量都很少
    · 而是铁占了第一位，其次是氧和硅，还有很多镁、镍和铝等金属
    · 地球的化学组成为何如此不同？

形成地球的这团冷星云，在万有引力的作用下，物质的微粒互相吸引，形成小的团块，也叫做星子
    · 星子再互相吸引，大的吃掉小的，不断碰撞、不断吸积，直至成为地球和其他行星的前身。这个原始的地球是一个比今日的地球大得多的尘埃的集合体，大致沿着今天的地球轨道自转

地球的形成
    · 在太阳系内，由于接受的太阳辐射多，温度高，轻的气体被辐射到远处，散失到太阳系的外部远处构成类木行星
    · 近太阳的地区，以尘埃中的固体物质为主，化学组成当然和原来的星云有显著的不同（铁、硅、镁、氧为主）近处构成类地行星

原始地球内的“星子”
    · 受到引力的作用向中心聚集，体积逐渐缩小，物质的密度越来越大
    · 收缩不是无限的，因为物质还要受到自转所产生的惯性离心力的作用，而离心力是要随着体积缩小，导致自转速度加快而增大，当离心力增大到能抵消引力时，就达到平衡

冷 － 热 － 冷
    · 尘埃向中心聚集的过程中，由于引力的作用，体积收缩，压力加大，会释放出大量的热量。放射性元素的蜕变和陨石的撞击，也都要放出热能
    · 尽管原始的星云物质是冷的，后来地球曾经历过一个高温时期，至少是局部物质处於热的熔融状态，以后收缩停止，才又逐渐冷却凝结

地球圈层的形成
    · 重力的作用与高温的影响，地球里面的物质发生部分熔融，使重者下沉，轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构
    · 铁和镍比较重，含量也多，分离出来成为液态的金属向中心聚集 －地核
    · 较轻的硅酸盐物质形成地幔和地幔之上的地壳
    · 气体和水等轻物质被吸引在固体球的外围

2010年实现 中国人登月

首席科学家欧阳自远 （2002）

提出分步骤登月措肆

欧阳自远院士

科学家介绍“中国登月计划”费用时说

登月相当于修两公里地铁

· 中国已启动登月计划，估计10年内完成
· 成本少于10亿元，美国60年代登月曾耗资千亿美元
· 人类将在2020至2030年建月球基地

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第四节   现代地球环境的逐渐形成
    · 46亿年前，整个地球的温度都很高，表面也接近于熔融的状态
    · 各类岩石的块体（以星子为基础）各不相属地分布在地球的表面
    · 后来构成大陆的地壳

冥古宙（46－38亿年前）
    · 大约在40亿年前后，越来越多的较轻的硅酸盐成分迁移到上部冷凝
    · 地球终于有了一个虽然还比较薄、但已是连续完整的地壳

原始地球表层
    · 一些处于熔融状态的物质向上挤入地壳中凝结，或涌出地面，表现为广泛分布的火山活动
    · 另一方面物质又在向下流动，把上面已固结的地壳撕裂，并将其部分碎块拽向深处，使它再次熔入地幔物质之中
    · 与此同时，薄弱的地壳还在陨石的撞击下，形成大量陨击坑

最初的大气成分主要是水蒸汽，还有一些二氧化碳、甲烷、氨、硫化氢和氯化氢等
    · 直到距今38亿年前，地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的
    · 随着时间的流逝，地球上的温度逐渐降低（低于100°C），大气中的水蒸汽陆续凝结出来，形成了广阔的海洋，海水中也缺少氧，而且也含有许多酸性物质

太 古 宙（38－25亿年前）
    · 38亿年前，海洋中开始有了生命的活动。从出现最原始的原核细胞生物--蓝绿藻
    · 32-29亿年前能起光合作用的藻类开始繁殖，后者能消耗二氧化碳，产生出氧气
    · 大约到27亿年前，游离氧在海洋中出现。绿色植物的大量繁殖，更加快了大气和海洋环境的变化，使其有利于高等喜氧生物的发展

元 古 宙 （距今18亿年前到6亿年前）
    · 大陆不断扩大
    · 大气变成以二氧化碳为最多
    · 海洋里的生物最多的是菌藻植物，它们的活动促成二氧化碳和海水中的钙镁等元素相结合，碳酸钙镁等物质沉淀在海底，使大气中的二氧化碳减少，氧和氮的含量逐步增加

显生宙 －－ 古生代，中生代，新生代 最近6亿年来
    · 大气圈的成分渐渐接近目前的状况
    · 大气和海洋中，原为酸性的水在与岩石相互作用时，将硅酸盐物质中的钠，钾，钙，镁，铝，铁等金属元素夺取出来，形成多种盐类（以氯化物为主），海水的成分也慢慢变成与今天相近的了
    · 在这种环境中，生命加速发展，海洋中的生物迅速繁荣起来（化石证据较多）

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第五节   怎样知道地球的过去？
    · 那些发生在亿万年以前的往事，你们是怎样知道的？
           地球的历史就记录在岩石身上
相对地质年代
    · 早就划分出生物地层的地质年代
    · 但仅能排出相对先后，无法确定具体的时间

地质年代的确定
相对地质年代的方法
地层层序律
化石层序律
地质体之间的切割律
同位素地质年代
中国学者朱熹(1130-1200)发现
    · 尝见高山有螺蚌壳，或生石中，此石即水中之物。下者却变而为高，柔者变而为刚。
    · 此事思之至深，有可验者。

菊石 大量生存在中生代(约2.5亿年～6500万年前)的海洋中，介于章鱼和贝类之间的动物。化石数量极多，形状依时代而有不同，对地层年代的鉴定，有相当大的帮助。现在已全部灭绝。

意大利著名的艺术家、知识渊博的学者达·芬奇(Leonado Da VinciI，1452 -1519)
   · 亚平宁山脉上发现的海生介壳化石，本是生活在海滨的生物，是河流带来泥土把它们掩埋，并且渗入了它们的内部。
   · 他推论，后来这里的地势升高，所以这些海洋生物的遗体就会出现在山上。

地层层序律
   · 1669年，出生于哥本哈根的斯特诺(Nicolaus Steno，1638-1686)总结出在岩层之间，存在着如下的规律：岩层在形成后，如未受到强烈的地壳运动的影响而颠倒原来的位置，应该是先沉积的在下，后沉积的在上，一层压一层，保持近于水平的状态，延展到远处才渐渐尖灭。

图4－1 地层层序律示意图:

A－原始水平层理
B－倾斜层理
C－倒转地层
1、2、3、4－表示地层从老到新

    “譬如积薪，后来居上”        －中国古代贤哲

    遗憾的是，仅将它用来说明人事，并不用它去观察山野间的岩石，他们甚至也未想到过需要对自然作些什么观察。因为“ 天下之物本无可格者，其格物之功，只在身心上做”；因为“ 岂但禽兽草木，虽天地也与我同体，鬼神也与我同体。”
                                  －明，王守仁

日本高知县中新世沉积坡盖构造
英国 郝顿 (James Hutton,1726-1797)
    根据自己在野外考察的实际经验和前人的认识，把时空统一的地质思维，形象地表述为 “ 在地球现在的构造中，可以看到旧世界的废墟”
                                  (地球论,1785)

莱伊尔 (Charles Lyell,1797-1875)
    用更丰富的事实论证和阐明了在这条被概括为“ 将今论古”，或称现实主义原理(Actualism)
    他的巨著《地质学原理》使地质学真正成为一门科学
波滚湖底、风积层理、土地龟裂、雨打沙滩

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)
图2-1 用原生构造确定岩层的相对年代
  (a)交错层理； (b)粒级层； (c)振荡波痕； (d)一直流波痕； (e)化 石； (f)柱状熔岩
(摘Seyters & Stikin,1979)

松岭子乡东沟门车站西
大红峪组地层中的波痕

四合当乡老庄户西北
崮山+炒米店组与治里组分界
英国运河工程师史密斯(William Smith,1769-1832)
化石层序律
    · 在开凿运河的过程中获得了大批化石，经过他的整理研究
    · 发现每一地层各有其特定的化石
    · 他据此制订出世界上第一张最有系统的地层表

       化石的概念
       化石的保存方式
       化石的作用
    · 化石是制定地质年代表的主要依据；
    · 化石是寻找沉积矿产的重要依据；
    · 化石是探索生命起源与演化的主要材料。

      地层对比及综合柱状图

法国古生物学家居维叶(D.G.Cuvier,1769-1832)
器官相关律
    在研究了大量动物器官的构造与机能以後，发现每一种形态的动物机体都是一个统一的体系，这个体系的每个局部在构造和机能上都是互相适应的，因此了解局部就能推知其整体。

    地质体之间的切割律---即较新的地质体总是切割或穿插较老的地质体，或者说切割者新、被切割者老。

图4.3 运用切割确定各种岩石形成顺序示意图 1-石灰岩，形成最早   2-花岗石，形成晚于石灰   3-夕卡岩，形成时代同或晚于花岗石   4-闪长岩成晚于花岗和夕卡岩   5-辉绿岩，形成晚于闪长   6-砾岩，形成最晚。

同位素年龄
    · 相对地质年代之表示了地质事件或地层的先后顺序,即使是利用古生物化石组合的方法,也只能了解它们的大致时代。
    · 要更确切、更全面地了解地球的发展历史，除了知道各种地质事件发生的先后顺序及大致时代外，必须定量的知道地质事件究竟发生在距今多少年的时候？延续的时间有多长？地质事件的剧烈程度或作用速率怎样等？

同位素测定技术及其发展
* 早期历史
    · 1895年：Rontgen发现x射线
    · 1896年：Becquerel发现放射性
    · 1898年：M. Curie分离出镭
    · 1903年：Rutherford建立放射性蜕变原理
    · 1907年：Boltwood首次进行U-Pb化学分析
    · 1912年：Thomson发现同位素（Soddy, 1914?）
    · 1919年：Aston发明质谱仪
    · 1927年：Aston首次Pb同位素分析
    · 1938年：Nier对质谱技术的重大改进

卢瑟福 (L.Rutherford,1871-1937)
    1903年提出放射性元素的原子会蜕变，即自行分裂为另外的原子，并在以后的实验中得到证实。
    · （电磁辐射量子）射线而蜕变成另一种新元素。g（电子）或b（粒子）、a放射性元素在自然界中自动地放射出
    · 各种放射性元素都有自己恒定的蜕变速度，通常用半衰期（T1/2）表示。
    · 半衰期是指母体元素的原子数蜕变一半所需要的时间。    
t=1/lln（1+D/N）
l   t-时间 l-蜕变常数    l=0.639/T1/2 D-子体同位素总量 N-母体同位素总量     N、D之可用质普仪测出

同位素地质测年必备的条件
    1、具有较长的半衰期，那些在几年或几十年内就蜕变殆尽的同位素是不能使用的
    2、该同位素在岩石中有足够的含量，可以分离出来并加以测定
    3、其子体同位素易于富集并保存下来
放射性元素蜕变
母体同位素 子体同位素
半衰期
238U --→206Pb+8 4He
45.1 亿年
235U --→207Pb+7 4He
7.13 亿年
232Th --→208Pb+6 4He
139 亿年
87Rb --→87Sr
500 亿年
40K --→40Ar
14.7 亿年
40Ar --→39Ar

150Sm -→144Nd

    同位素方法测定的年龄，除了用铀－铅来测定矿物岩石的年龄外还有多种同位素法（K - Ar,40Ar /39Ar, Rb - Sr, Sm - Nd，14C - 14N等）
    误差为百分之几
同位素地质年代表

多伦J3m流纹岩 Rb-Sr 等时线年龄
佳木斯地块
麻山群紫苏辉石

39Ar(%)

147Sm/144Nd
最古老的岩石
1973年在格陵兰发现的，年龄为38亿年
1983年在澳大利亚找到几粒年龄为41-42亿年的矿物颗粒。
中国鞍山白家坟发现有38亿年的岩石。
中国迁西太平寨发现有38~37亿年的岩石。
中国大陆地壳形成年龄

上部地壳
沉积-变质地壳
花岗岩Nd模式年龄
华北地台
2852±371
2921±348
2517±225
华南地区
1659±341
2289±595
1546±303
塔里木地台
2766±232

秦岭造山带
1880±497
(平均值）
2237±301
1560±372
大别造山带
2016±476
2395±232
滇藏造山带
1559±454
2026±284
1303±370
北方造山带
979±365
1639±384
915±299
平均值
1812

1643

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第六节   地质年代表
    以地球演化的自然阶段性为依据，配合同位素地质年龄的测定，对漫长的地质历史进行系统性的编年与划分，编制出的在全球范围内能普遍参照对比的年代表即地质年代表。
    地质年代单位的划分是以生物界及无机界的演化阶段为依据的，这种阶段的延续时间常常在百万年、千万年甚至数亿年以上，并且常常是大的阶段中又套着小的阶段，小的阶段中又包含着更小的阶段。根据这种阶段的级次关系，地质年代表中划分出了相应的不同级别的地质年代单位，其中最主要的有宙、代、纪、世四级年代单位。
    “宙”是最大一级的地质年代单位，它往往反映了全球性的无机界与生物界的重大演化阶段，整个地质历史从老到新被分为冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙4个宙，每个宙的演化时间均在5亿年以上。
    “代”是仅次于“宙”的地质年代单位，往往反映了全球性的无机界与生物界的明显演化阶段。每个代的演化时间均在5000万年以上。
    “纪”是次于“代”的地质年代单位，它往往反映了全球性的生物界的明显变化及区域性的无机界演化阶段。每个纪的演化时间在200 万年以上。
    “世”是次于“纪”的地质年代单位，它往往反映了生物界中“科”、“属”的一定变化。每个纪一般分为早、中、晚3个世或早、晚2个世。
    在古近纪（第三纪）与新近纪（第四纪）中，世的名称比较特殊。
年代地层单位:在各级地质年代单位的时间内所形成的地层。

    地质年代单位相对应的年代地层单位为：宇、界、系、统.

    地质年代单位   年代地层单位
    宙…………………宇
        代…………………界
            纪…………………系
                世…………………统
    地方性地层单位:
        群—
            组—
                段—

表2-1 地质年代表

宙(宇)
代(界)
纪(系)
同位素年龄(百万年)
显生宙(宇)
新生代(界)
第四纪(系)
第三纪(系)
0

白垩纪(系)
侏罗纪(系)
三迭纪(系)
65
古生代(界)
二叠纪(系)
石炭纪(系)
泥盆纪(系)
248
志留纪(系)
奥陶纪(系)
寒武纪(系)
409
元古宙(宇)

新元古代(界)
中元古代(界)
古元古代(界)
震旦纪(系)
清白口纪(系)
蓟县纪(系)/长城纪(系)
600
800
1800
2500
太古宙(宇)

3800-2500
冥古宙(宇)

4600-3800