全球變化-第五章ppt課件

1、第五章 全球自然環(huán)境的形成與演化,5.1 主要圈層的演化 /地殼 /大氣和海洋 /生命進(jìn)化 /相互作用 5.2 全球自然環(huán)境的演化 /無機(jī) /古海洋 /古地理 /過渡,5.1 主要圈層的演化,46億年前，整個地球的溫度都很高，表面也接近于熔融的狀態(tài)，各類巖石的塊體（以星子為基礎(chǔ)）各不相屬地分布在地球的表面，后來構(gòu)成大陸的地殼,早期地球的形成： 距今約45億年前，某個環(huán)繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的天體通過不斷地從與其交叉的軌道上捕獲其他天體而增生，形成了早期地球,5.1 主要圈層的演化,5.1 主要圈層的演化,地球早期可能曾受到一 個火星大小的天體撞擊，導(dǎo) 致約占地球質(zhì)量十分之一的物質(zhì)與地球分離，形成了月球，從

2、而形成： 地月系統(tǒng),5.1 主要圈層的演化,地月系統(tǒng)的撞擊成因說,模式圖,5.1 主要圈層的演化,地月系統(tǒng)運(yùn)動,5.1 主要圈層的演化,最新“月”報(bào),Nature 2011.8.4,最新的理論模型推測40多億年前，另有一顆較小的衛(wèi)星與月球同時形成，如同特洛伊星體般位于月球前或后方60o重力平衡的拉格朗日點(diǎn)上，且停留時間至少數(shù)千萬年，長到足以讓月球表面固化。提出這項(xiàng)假說的行星科學(xué)家以電腦模擬推測，另外一顆較小的衛(wèi)星直徑約1200km，質(zhì)量為月球的1/30.后來它又以極緩和的速度撞上月球，使得月球背向地球那一面的地殼比向地側(cè)厚了約50km，地形高且多山，與及地面以熔巖平原為主不同，合理解釋了月球兩

3、面呈現(xiàn)截然不同風(fēng)貌的原因。除此之外，月球向地面的地殼下以鉀（K）、稀土元素（REE）及磷（P）統(tǒng)稱為“KREEP”的巖質(zhì)為主，模型也成功的預(yù)測在撞擊發(fā)生后數(shù)小時內(nèi)，撞擊體覆蓋在月球背地側(cè)表面的同時，撞擊力也將地殼下仍呈液態(tài)的KREEP層擠向了近地的另一側(cè)。 目前的資料尚無法證實(shí)這項(xiàng)假說，科學(xué)家們希望未來 能取得更多月球樣本在與精密的光譜資料來佐證,1 月球的出現(xiàn)成為地球最大的潮汐引力場。 2 地軸的傾斜導(dǎo)致了地球上的氣候形成季節(jié)性變化。 3 小行星撞地球可能促進(jìn)生命繁盛,大碰撞的意義,5.1 主要圈層的演化,重力的作用與高溫的影響，地球里面的物質(zhì)發(fā)生部分熔融，使重者下沉，輕者上浮，出現(xiàn)了大規(guī)模

4、的物質(zhì)分異和遷移，形成了從里向外，物質(zhì)密度從大到小的圈層結(jié)構(gòu) 鐵和鎳比較重，含量也多，分離出來成為液態(tài)的金屬向中心聚集 地核 較輕的硅酸鹽物質(zhì)形成地幔和地幔之上的地殼 氣體和水等輕物質(zhì)被吸引在固體球的外圍,地球圈層的形成,5.1 主要圈層的演化,在地球形成之初，由金屬Fe和Ni的氧化物加積而成地核，然后Mg和Fe硅酸鹽覆蓋在之上。 隨著地球的“長大”，在星子捕獲產(chǎn)生的熱和放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱的作用 下，地球發(fā)生熔化并在重力作用下發(fā)生分層， 即分異作用,分異作用,5.1 主要圈層的演化,分異作用是早期地球內(nèi)部最重要的作用 1 直接導(dǎo)致了地球的圈層結(jié)構(gòu)的形成。 2 間接促成熔融地核結(jié)晶時的多余

5、熱量緩慢釋放形成地?zé)帷?3 間接促成地球磁場的形成,分異作用的意義,5.1 主要圈層的演化,地殼演化歷程的三個階段： （）原始地殼的形成與破壞階段 （）漫長的陸殼增生階段 （）以大陸合并與解體為特征的板塊運(yùn)動旋回階段,一、地殼的演化,5.1 主要圈層的演化/地殼的演化,第一個階段： 原始地殼的形成與破壞階段 (40億年前,原始地殼是指地球上主要由巖漿作用生成的最初的固態(tài)表面。 原始地殼的成分主要取決于巖漿源區(qū)的成分，巖漿熔融程度、以及巖漿分異的程度和種類。 原始地殼的形成時間，它比地球年齡究竟晚多少，目前仍無定論。但是，鉛同位素的模式年齡表明大約在40億年前就可能分異出不同U/Pb比的地區(qū)。這

6、種分異可能和地殼形成有關(guān)，因此，可以推測最古老的原始地殼在38-40億年前就已出現(xiàn),5.1 主要圈層的演化/地殼的演化,2,0,3,1,4,陸殼,距今年,第二個階段： 漫長的陸殼增生階段 （40-20億年前,大陸殼不斷增生、固化，形成了剛性的板塊，最終導(dǎo)致現(xiàn)代板塊運(yùn)動的出現(xiàn),圖5-1 陸地面積的增生過程,5.1 主要圈層的演化/地殼的演化,陸殼生長三種模式,關(guān)于陸殼的生長方式，目前有三種模式。第一種模式認(rèn)為，大部分陸殼在30億年前便形成。30億年以后的任何地殼生長都是由早期地殼經(jīng)過由對流的上地幔循環(huán)而實(shí)現(xiàn)的。第二種模式認(rèn)為大陸地殼呈線性生長，并且硅鋁質(zhì)地殼只在地殼范圍內(nèi)進(jìn)行再循環(huán)。按這一模式，

7、太古代時期50的陸殼已經(jīng)形成。第三種模式認(rèn)為陸殼生長速率隨時間演化而呈指數(shù)狀增加,該模式認(rèn)為，現(xiàn)在分布的地殼巖石年齡，反 映了特定時期從地幔中產(chǎn)生的新地殼實(shí)際數(shù) 量，經(jīng)過地幔再循環(huán)的地殼物質(zhì)也歸為新地 殼。上述三種大陸地殼生長模式，各自有它 合理、正確的一面，但也存在著與事實(shí)相抵 觸，不能解釋的另一面。模式中對地殼的概念 亦有所不同,5.1 主要圈層的演化/地殼的演化,第三個階段：（ 20億年以來） 以大陸合并與解體為特征的板塊運(yùn)動旋回階段,500MaBP以來的坂塊運(yùn)動海陸分布,5.1 主要圈層的演化/地殼的演化,二、大氣和古海洋的演化,5.1 主要圈層的演化/大氣和海洋的演化,5.1 主要圈

8、層的演化/大氣和海洋的演化,從大爆炸理論(Big Bang)說起,一個體積無窮小、質(zhì)量無窮大的質(zhì)點(diǎn)突然爆炸形成了宇宙。其過程有點(diǎn)類似于一個核彈的爆炸，原子彈爆炸形成的最高溫度相當(dāng)于宇宙大爆炸一秒鐘后的溫度,1）原始大氣（存在爭論,地球大氣的演化,地球自從它形成以來，大約46億年。其大氣的演變可分為三個階段：原生大氣，次生大氣、現(xiàn)代大氣。 原始大氣的形成和星系的形成過程密切相關(guān)。原始大氣出現(xiàn)約46億年，比原始人類出現(xiàn)（幾百萬年）早3個數(shù)量級，比人類有文字記載的歷史（數(shù)千年）早6個數(shù)量級。因此只能在現(xiàn)有的科學(xué)知識加上推理來研究大氣演變?？茖W(xué)家們從不同的角度提出了不同大氣演化模式,5.1 主要圈層的

9、演化/大氣和海洋的演化,原生大氣的成分是以氫和少量的氦為主。 但原生大氣存在不太久（大約數(shù)千萬年）。當(dāng)太陽作為年青恒星經(jīng)歷噴發(fā)大量物質(zhì)流的階段，強(qiáng)大的太陽風(fēng)把原始大氣從地球上吹走，刮向茫茫太空,原生大氣,5.1 主要圈層的演化/大氣和海洋的演化,次生大氣主要來自地球內(nèi)部，由火山噴發(fā)產(chǎn)生。按現(xiàn)代火山噴發(fā)的成分，主要是水汽（79%）、二氧化碳（12%）、甲烷，還有一些氨和硫的化合物。 次生大氣中沒有氧，即使有也不能保留。因?yàn)楫?dāng)時地面溫度很高，地殼中有很多鐵，氧將很快和鐵反應(yīng)形成氧化鐵。 次生大氣形成時，水汽大量排入大氣中，當(dāng)時地面溫度很高，大氣不穩(wěn)定對流的發(fā)展很旺盛，強(qiáng)烈的對流使水汽上升凝結(jié)形成液

10、態(tài)水，出現(xiàn)江河湖海等水體，風(fēng)雨閃電交加。 次生大氣籠罩的時間大約46億年前到20億年前。最原始的生命在這個時期已經(jīng)出現(xiàn)（大約35億年前,次生大氣,5.1 主要圈層的演化/大氣和海洋的演化,地球大氣演化的一個重要特征是它從還原態(tài)朝著氧化態(tài)進(jìn)化。因?yàn)樵即髿獾闹饕煞质菤洌梢圆聹y的是當(dāng)時的大氣含有甲烷(CH4) 和氨(NH3)，而非現(xiàn)在豐富的(CO2)和(N2O)，但沒有氧。 為什么大氣朝著氧化態(tài)轉(zhuǎn)化還存在爭論。兩個可能的機(jī)制導(dǎo)致大氣朝著氧化態(tài)演化：一個是鐵質(zhì)地核的形成。鐵從地幔中的分離使得巖石更易于被氧化，火山噴發(fā)向大氣中輸送更多的氧化物，如CO2、SO2等。另一個是氫的逃逸。當(dāng)氫從CH4和N

11、H3分離出來并逃逸之后，大氣變更易于被氧化。 如果一個分子要逃離地球的引力，它的動能必須超過地球的引力勢能，在500km的高度，該分子的逃逸速度為10.77kms-1,現(xiàn)代大氣,5.1 主要圈層的演化/大氣和海洋的演化,5.1 主要圈層的演化/大氣和海洋的演化,海洋的出現(xiàn)與演化,海洋的出現(xiàn)可能與大氣圈的形成同時，其演化與大氣圈的演化大體同步。 可能在地球形成之后不到1億年內(nèi)就有大面積的海洋存在，最遲在40億年前一定存在。 地球上的水來自何處： 來自地球內(nèi)部 來自彗星的撞擊 來自隕石的撞擊,5.1 主要圈層的演化/大氣和海洋的演化,特征：從低層次向高層次轉(zhuǎn)移，即發(fā)生了“進(jìn)化層次上移,三、生命的進(jìn)

12、化,早期： 化學(xué)進(jìn)化階段（億億年前） （）中期： 細(xì)胞進(jìn)化階段（億億年前） （）晚期： 多細(xì)胞復(fù)雜生命進(jìn)化階段（億年以來,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,生命演化的主要階段,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,1）最早的生命在格陵蘭Ishua的變質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)了由生物合成的有機(jī)碳，年代是38億年前，這最早的生命記錄。在澳大利亞的Warrawoona群和南非的Onverwacht、Fig Tree群中發(fā)現(xiàn)35億年前和32億年前的化石。（2）生命演化的幾個重要環(huán)節(jié)a、真核細(xì)胞生物的出現(xiàn)，19-20億年前，中國學(xué)者認(rèn)為24-25億年前。b、多細(xì)胞生物的出現(xiàn)，也稱后生生物。后生植物出現(xiàn)在9-10億年前

13、，而后生動物出現(xiàn)在8億年前。c、在元古代末寒武紀(jì)早期(7-5.3億年)，出現(xiàn)了一次生物大發(fā)展時期。如澳大利亞的埃迪卡拉動物群、中國的澄江動物群。d、脊椎動物的出現(xiàn)，發(fā)生在5.2億前。e、動、植物的登陸，植物在4.5億前，動物在4億年前。f、人類的出現(xiàn)，3-4萬年前,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,沉積變質(zhì)巖 (Isua, Greenland,1.前生命的化學(xué)進(jìn)化階段（40億-38億年前,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,疊層石,2. 生命的細(xì)胞進(jìn)化階段（38億7億年前,明確記錄生命細(xì)胞存在的證據(jù)。 由富有機(jī)物碳酸鹽與純碳酸鹽互相構(gòu)成的薄層狀碳酸鹽。 由

14、單細(xì)胞自養(yǎng)細(xì)菌類生物藍(lán)綠藻所形成,疊層石 （Stromatolites,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,具有光合作用功能、能沉淀碳酸鹽并建造疊層石的細(xì)菌及其他原核細(xì)胞生命在35億年以前至10億-7億年前一直在生物圈中占統(tǒng)治地位，并在距今20億年之前，可能是地球唯一的生命類型,2. 生命的細(xì)胞進(jìn)化階段（38億7億年前,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,藍(lán)藻 （Cyanophyta）又稱 藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria） 或者 藍(lán)綠藻 （blue-green algae,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,含有染色體、細(xì)胞核及其他進(jìn)化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)胞構(gòu)成的真核生物的出現(xiàn)在距今20億-19

15、億年前,重大事件,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,3. 多細(xì)胞復(fù)雜生命進(jìn)化階段（7億年前今,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,在生命的進(jìn)化史上， 進(jìn)化與滅絕現(xiàn)象是共存的 生物的進(jìn)化呈現(xiàn)爆發(fā)性方式發(fā)展（輻射演化）。 生物的滅絕呈現(xiàn)突發(fā)性大規(guī)模滅絕 事例： 爆發(fā)式進(jìn)化：寒武紀(jì)生命大爆發(fā) 集群式滅絕：五次重大滅絕事件,5.1 主要圈層的演化/生命的進(jìn)化,地球上生命的發(fā)展演化遵從“適者生存”的自然法則，受環(huán)境條件的制約，當(dāng)某種生物對環(huán)境的變化不能適應(yīng)時，就可能衰退乃至絕滅，為更能適應(yīng)環(huán)境的新物種所替代； （）生命以驚人的程度參與著地球表層環(huán)境的演變，極大地影響著地球的演化進(jìn)程和演化方向，甚至使地

16、球的大氣圈、水圈和地球巖石圈發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變,四、生態(tài)系統(tǒng)的演化及生物與環(huán)境的相互作用,5.1 主要圈層的演化/相互作用,5.2 全球自然環(huán)境的變化,全球自然環(huán)境的演化有45億年的歷史，可以劃分為五個階段： 生命出現(xiàn)時的無機(jī)自然地理環(huán)境時期 （距今4538億年前） 以海洋生命繁殖為標(biāo)志的古海洋自然地理環(huán)境時期 （距今384億年前） 陸地生命發(fā)展，生物種群和海陸分布形式與現(xiàn)代明顯不同的古自然地理環(huán)境時期 （距今42.25億年前） 古自然地理環(huán)境向現(xiàn)代自然地理環(huán)境演進(jìn)的過渡時期 （ 距今2.250.65億年前） 現(xiàn)代自然地理環(huán)境的形成與發(fā)展時期 （距今0.65億年來,5.2 全球自然環(huán)境的變化,

17、全球自然環(huán)境演化階段劃分,5.2 全球自然環(huán)境的變化/無機(jī)自然地理,冥生代和太古代的最早期,一、無機(jī)自然地理環(huán)境時期（45億38億年前，歷時7億年） 重大事件： （）地球的物質(zhì)分異作用； （）原始地殼的形成與破壞； （）原始大氣被主要由地球排氣作用產(chǎn)生的還原性的次生大氣所取代； （）受外來天體的碰撞作用，地-月系統(tǒng)形成,5.2 全球自然環(huán)境的變化/古海洋,太古代、元古代及早古生代,二、古海洋自然地理環(huán)境時期（38億4億年前，歷時34億年） （1）無生命系統(tǒng)向有生命系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變階段（3820億年前）； （2）生命可居住環(huán)境形成階段（20億6億年前）； （3）海洋生命繁盛階段（6億4億年前,5.2

18、全球自然環(huán)境的變化/古海洋,第一個轉(zhuǎn)變：距今20億年前后 1.現(xiàn)代意義的板塊運(yùn)動的出現(xiàn) 2.含自由氧的氧化大氣的形成 3.真核細(xì)胞的出現(xiàn),5.2 全球自然環(huán)境的變化/古海洋,第二個轉(zhuǎn)變：距今6億年前 1.以三葉蟲為代表的具有堅(jiān)硬的鈣質(zhì)外殼的無脊椎動物突然繁盛于海洋中，即寒武紀(jì)生命大爆發(fā)標(biāo)志著地質(zhì)歷史開始進(jìn)入古生代 2.中奧陶紀(jì)后無脊椎動物的無頷魚類開始出現(xiàn)并得到發(fā)展 3.具有鈣質(zhì)生物的出現(xiàn)與大氣中自由氧含量的增加密切相關(guān)，鈣質(zhì)介殼形成改變了生物進(jìn)行氧氣交換的方式據(jù)此可推斷，距今億年前臭氧層已出現(xiàn)但尚未形成完好，生物仍局限在海洋中,5.2 全球自然環(huán)境的變化/古海洋,寒武紀(jì) 三葉蟲時代,5.2

19、全球自然環(huán)境的變化/古海洋,中奧陶紀(jì)后脊椎動物中的無頜魚類開始出現(xiàn)并得到發(fā)展,5.2 全球自然環(huán)境的變化/古自然地理,晚古生代 Late Palaeozoic,泥盆紀(jì) Devonian 石炭紀(jì) Carboniferous 二疊紀(jì) Permian,三、古自然地理環(huán)境時期（4.1億2.45億年前，歷時1.75億年,5.2 全球自然環(huán)境的變化/古自然地理,時期特征 陸地生命發(fā)展，但生物種群和海陸分布形式均與現(xiàn)代明顯不同 植物、脊椎動物登陸并繁盛，形成無脊椎動物、脊椎動物和植物三足鼎立的局面,5.2 全球自然環(huán)境的變化/古自然地理,植物,泥盆紀(jì)時裸蕨 泥盆紀(jì)晚期：石松類、 節(jié)蕨類 石炭二疊紀(jì)期間：石松

20、、節(jié)蕨、真蕨，種子蕨、科達(dá)類 泥盆紀(jì)地層中的煤系主要分布在沿海沼澤地區(qū)，至石炭二疊紀(jì)則首次形成全球性的成煤期,5.2 全球自然環(huán)境的變化/古自然地理,動物 40億年前：具有脊椎的魚類出現(xiàn)，脊椎動物的基本結(jié)構(gòu)體制開始建立。 泥盆紀(jì)晚期：兩棲類的四足動物 石炭紀(jì)：陸生脊椎動物爬行類；兩棲類，昆蟲,5.2 全球自然環(huán)境的變化/古自然地理,中石炭紀(jì)時的植物地理區(qū)系,熱帶、亞熱帶植物地理區(qū)系：以石松、節(jié)蕨和科達(dá)樹十分繁茂為特征，伴有大量的真蕨、種子蕨，喬木不具年輪 溫帶植物地理區(qū)系：以草木真蕨類、種子蕨為代表，木本具年輪，典型的代表如匙葉 岡瓦納植物區(qū)系：溫良?xì)夂颦h(huán)境下，以舌羊齒為代表的灌木草本植物為主

21、的植物區(qū)系,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,四、古自然地理環(huán)境向現(xiàn)代自然地理環(huán)境迅速過渡時期（2.25億年距今約6500萬年，歷時1. 6億年） 中生代 Mesozoic 三疊紀(jì) Triassic 侏羅紀(jì) Jurassic 白堊紀(jì) Cretaceous,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,聯(lián)合古陸解體 聯(lián)合古陸在本階段之初發(fā)展到頂峰，隨后開始解體，構(gòu)成了此期間最重要的全球變化事件之一。其解體過程分為五個階段，其中部分過程已經(jīng)延伸到現(xiàn)代自然地理環(huán)境,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,第一階段（202MaBP前后） 北美與歐亞的一個板塊首先與另一個包括非洲、南美、印度、南極洲和澳大利亞的板塊（岡瓦

22、那大陸）在晚三疊紀(jì)（202MaBP前后）分離；至180MaBP時，大西洋已張開，特提斯海已經(jīng)收縮。稍后，由南極洲、澳大利亞和印度組成的板塊從包括非洲和馬達(dá)加斯加的板塊開始分離（205160MaBP,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,三疊紀(jì)早期,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,侏羅紀(jì)早期,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,第二階段（147MaBP前后） 岡瓦納大陸在它與北美和歐亞大陸分離之后于晚侏羅紀(jì)與白堊紀(jì)早期之間（130150MaBP)開始解體，南美洲從非洲分離，南大洋誕生。在此期間，北大西洋和印度洋擴(kuò)大，特提斯海繼續(xù)閉合，印度板塊從南極洲、澳大利亞分離北移（125155MaBP)，馬達(dá)加

23、斯加從非洲分離，格陵蘭開始從北美分離，西班牙、葡萄牙開始圍繞一個位于法國北部的擴(kuò)張極發(fā)生旋轉(zhuǎn)分離，阿拉斯加開始從加拿大分離,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,侏羅紀(jì)晚期,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,第三階段（70MaBP) 南大洋加寬，馬達(dá)加斯加從非洲分離，特提斯海閉合成內(nèi)陸海，即地中海。格陵蘭開始從歐洲分離，印度開始從塞舌爾群島分離,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,白堊紀(jì)晚期,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,在經(jīng)歷了135Ma的漂移后，現(xiàn)代的海陸分布輪廓已經(jīng)顯現(xiàn)。進(jìn)入新生代以后，發(fā)生了第四階段（54MaBP），澳大利亞從南美洲分離，以及第五階段（15MaBP），阿拉伯半島開始從非洲分離、下加利福尼亞開始從墨西哥分離、撒丁島和科西嘉島開始從歐洲分離,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,白堊紀(jì)最后期,5.2 全球自然環(huán)境的變化/過渡,生物界的革命性變化（植物）