新地球观地球系统科学.ppt

第十一章 新地球观  —地球系统科学 一、地球是一个系统 二、地球动力系统 三、开放的地球系统 四、圈层间的强相互作用 五、不可逆的进化 六、均变与灾变 七、各种时间尺度的周期性变化 一、地球是一个系统 地球系统科学—新的地球观 系统，学科众多，相互交叉 从整体论（Holism）角度研究 从宇宙体系角度来全面认识行星地球： 将地球作为一个行星 二、地球动力系统 地球上所有物质都在不断地运动 地球上不同物质的运动都有其独特的动力学机制 它们均受到地球内部和外部因素的影响 地球内部：重力场、自转、温度、压力等 地球外部：行星、太阳系、银河系等 三、开放的地球系统 地球从宇宙中接受质量和能量 星子吸积，陨石 太阳辐射能，陨击 地球系统不断地耗散能量 热量散失 转动惯性能消耗，自转减慢 地球是开放系统 将地球作为宇宙巨系统中的一份子 四、圈层间的强相互作用 地球系统的复杂性：子系统 地球各圈层的强相互作用 耦合与解耦作用 相邻两圈层之间强相互作用 壳-幔、核-幔、水圈-岩石圈、岩石圈-大气圈 不相邻圈层之间相互作用 磁场-内外核、放气、温度-地幔、地震 厄尔尼诺、拉尼娜-地幔放气、排热 五、不可逆的进化 生物界： 由低级到高级、简单到复杂演变； 时间的不对称和单向性； 生物演化不可逆性。 五、不可逆的进化 地球： 地球是如何演化的？ 整个地球（包括无机界）是否也是从简单到复杂、低级到高级的不可逆演变？ 宇宙的起源 宇宙起源于150亿年前的宇宙大爆炸，形成了众多的星系和恒星; 此后，轻重不同的100余种元素不断地通过氢和氦热核反应而逐渐形成。 在45.5亿年前一次很偶然的超新星爆炸冲击波的影响下，使由星际冷的固体尘埃和气体所组成的原始太阳星云运动速度加大，密度增大，发生凝聚而形成太阳以及围绕它旋转的星云物质。 太阳系的起源 太阳周围的固体与气体物质，经过约5000万年快速旋转和冷凝，以固体颗粒(小园球状的星子)为中心，通过反复随机碰撞吸积、增大质量，逐渐形成太阳系的9大行星。 太阳系的起源 以气体为主的类木行星 (如木星、土星以及土星的卫星等) 在温度较低的太阳系外圈先行形成。 在太阳系的内圈、温度较高，则形成以重元素为主的固体行星——类地行星(约晚2000～3000万年)。 地球的形成 根据球粒陨石1） 年代测定，地球的形成和加大吸积的时期，推测主要发生在45.2～44.8亿年前。 地球总质量的绝大部分 (6×1027 g) 都是该时期吸积的。后来的40亿年内，地球质量只增加1025 g，相当于地球总质量的1/600。也就是说地球平均每年要接受2.5×1016 g (即250亿吨)的陨石物质。 早期的地球—状态 刚诞生的地球表面是裸露固体岩石，没有大气层、没有土地，也没有海洋，地表陨石坑密布，火山到处喷发。 由于地球质量巨大，内部温度、压力相当高，可发生全球性部分熔融，使原始成分相当于球粒陨石的地球发生圈层化的重力分异作用。 早期的地球—地核 当时地球内部热量比现代大得多，估计其放射性幅射能约比现代大10倍； 地球吸积(陨石撞击)和圈层分异作用也可产生热量，使物质分异与迁移，比重较大的铁镍物质大量聚集到地心附近，到43亿年前，就基本上形成地核(约相当于现代地核的3/4)。 早期的地球—地幔、地壳 地幔也基本上一直保持固体状态。下地幔成分相对均一，而上地幔存在着横向与纵向上化学成分的不均一性，说明上、下地幔并没有经历过全部的熔融分异、以达到平衡的演化过程。 而在地球表部，火山密布，同时还有相当数量的陨石撞击，在40亿年前逐渐形成了原始的大陆，使晶体结构较松散的铝硅酸盐在地表聚集，造成了大陆地壳。 大陆地壳的形成和增长 陆壳的主要增生时期为30～18亿年即新太古—古元古代时期，现在所知的大陆地壳基本上都是该时期形成的。 在18亿年以前的时期，由于地球内部的热活动一直比较强烈，物质在垂直方向(地球半径方向)上的分异、对流、迁移等作用都相当剧烈。 在18亿年以后，地球内部变冷，岩石可塑性变小，使上地幔的顶部层位和地壳合成一个统一的岩石圈，其刚性程度加大，出现了岩石圈板块。 大气圈的形成 与此同时，由于岩浆活动所排出的气体(CO2与H2O为主，含少量N2)可能形成初步的大气圈，形成与金星、火星相似的大气圈。 大气压力相当于现代的300倍，温度可达230℃左右，以后逐渐降温，气体中冷凝下来的水(富含Cl、SO4离子)，就可覆盖在几乎整个地球表面。 水的形成 1998年Zahnle认为地球上水主要由富含冰(固体的H2O)的慧星撞击地球所致。 关于水的起源，留下的证据不足，也许两种成因──岩浆排气与慧星撞击可能都同时存在。 一般认为85%的大气圈与水圈(海洋)是在44亿年前形成的。