地概a12新地球觀-系統(tǒng)科學(xué)

1第12章新地球觀—地球系統(tǒng)科學(xué)2一、地球是一個(gè)系統(tǒng)二、地球動(dòng)力系統(tǒng)三、開放的地球系統(tǒng)四、圈層間的強(qiáng)相互作用五、不可逆的進(jìn)化六、均變與災(zāi)變七、各種時(shí)間尺度的周期性變化主要內(nèi)容3一、地球是一個(gè)系統(tǒng)地球系統(tǒng)科學(xué)—新的地球觀系統(tǒng)，學(xué)科眾多，相互交叉從整體論（Holism）角度研究從宇宙體系角度來全面認(rèn)識(shí)行星地球：將地球作為一個(gè)行星4二、地球動(dòng)力系統(tǒng)地球上所有物質(zhì)都在不斷地運(yùn)動(dòng)地球上不同物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都有其獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)機(jī)制它們均受到地球內(nèi)部和外部因素的影響地球內(nèi)部：重力場(chǎng)、自轉(zhuǎn)、溫度、壓力等地球外部：行星、太陽(yáng)系、銀河系等5三、開放的地球系統(tǒng)地球從宇宙中接受質(zhì)量和能量星子吸積，隕石太陽(yáng)輻射能，隕擊地球系統(tǒng)不斷地耗散能量熱量散失轉(zhuǎn)動(dòng)慣性能消耗，自轉(zhuǎn)減慢地球是開放系統(tǒng)將地球作為宇宙巨系統(tǒng)中的一份子6四、圈層間的強(qiáng)相互作用地球系統(tǒng)的復(fù)雜性：子系統(tǒng)地球各圈層的強(qiáng)相互作用耦合與解耦作用相鄰兩圈層之間強(qiáng)相互作用殼-幔、核-幔、水圈-巖石圈、巖石圈-大氣圈不相鄰圈層之間相互作用磁場(chǎng)-內(nèi)外核、放氣、溫度-地幔、地震厄爾尼諾、拉尼娜-地幔放氣、排熱78910五、不可逆的進(jìn)化生物界：由低級(jí)到高級(jí)、簡(jiǎn)單到復(fù)雜演變；時(shí)間的不對(duì)稱和單向性；生物演化不可逆性。1112五、不可逆的進(jìn)化地球：地球是如何演化的？整個(gè)地球（包括無機(jī)界）是否也是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、低級(jí)到高級(jí)的不可逆演變？13宇宙的起源宇宙起源于150億年前的宇宙大爆炸，形成了眾多的星系和恒星;此后，輕重不同的100余種元素不斷地通過氫和氦熱核反應(yīng)而逐漸形成。在45.5億年前一次很偶然的超新星爆炸沖擊波的影響下，使由星際冷的固體塵埃和氣體所組成的原始太陽(yáng)星云運(yùn)動(dòng)速度加大，密度增大，發(fā)生凝聚而形成太陽(yáng)以及圍繞它旋轉(zhuǎn)的星云物質(zhì)。14太陽(yáng)系的起源太陽(yáng)周圍的固體與氣體物質(zhì)，經(jīng)過約5000萬年快速旋轉(zhuǎn)和冷凝，以固體顆粒(小園球狀的星子)為中心，通過反復(fù)隨機(jī)碰撞吸積、增大質(zhì)量，逐漸形成太陽(yáng)系的9大行星。15太陽(yáng)系的起源以氣體為主的類木行星(如木星、土星以及土星的衛(wèi)星等)在溫度較低的太陽(yáng)系外圈先行形成。在太陽(yáng)系的內(nèi)圈、溫度較高，則形成以重元素為主的固體行星——類地行星(約晚2000～3000萬年)。16地球的形成根據(jù)球粒隕石年代測(cè)定，地球的形成和加大吸積的時(shí)期，推測(cè)主要發(fā)生在45.2～44.8億年前。地球總質(zhì)量的絕大部分(6×1027g)都是該時(shí)期吸積的。后來的40億年內(nèi)，地球質(zhì)量只增加1025g，相當(dāng)于地球總質(zhì)量的1/600。也就是說地球平均每年要接受2.5×1016g(即250億噸)的隕石物質(zhì)。17早期的地球—狀態(tài)剛誕生的地球表面是裸露固體巖石，沒有大氣層、沒有土地，也沒有海洋，地表隕石坑密布，火山到處噴發(fā)。由于地球質(zhì)量巨大，內(nèi)部溫度、壓力相當(dāng)高，可發(fā)生全球性部分熔融，使原始成分相當(dāng)于球粒隕石的地球發(fā)生圈層化的重力分異作用。181920早期的地球—地核當(dāng)時(shí)地球內(nèi)部熱量比現(xiàn)代大得多，估計(jì)其放射性幅射能約比現(xiàn)代大10倍；地球吸積(隕石撞擊)和圈層分異作用也可產(chǎn)生熱量，使物質(zhì)分異與遷移，比重較大的鐵鎳物質(zhì)大量聚集到地心附近，到43億年前，就基本上形成地核(約相當(dāng)于現(xiàn)代地核的3/4)。21早期的地球—地幔、地殼地幔也基本上一直保持固體狀態(tài)。下地幔成分相對(duì)均一，而上地幔存在著橫向與縱向上化學(xué)成分的不均一性。而在地球表部，火山密布，同時(shí)還有相當(dāng)數(shù)量的隕石撞擊，在40億年前逐漸形成了原始的大陸，使晶體結(jié)構(gòu)較松散的鋁硅酸鹽在地表聚集，造成了大陸地殼。22大陸地殼的形成和增長(zhǎng)陸殼的主要增生時(shí)期為30～18億年即新太古—古元古代時(shí)期，現(xiàn)在所知的大陸地殼基本上都是該時(shí)期形成的。在18億年以前的時(shí)期，由于地球內(nèi)部的熱活動(dòng)一直比較強(qiáng)烈，物質(zhì)在垂直方向(地球半徑方向)上的分異、對(duì)流、遷移等作用都相當(dāng)劇烈。在18億年以后，地球內(nèi)部變冷，巖石可塑性變小，使上地幔的頂部層位和地殼合成一個(gè)統(tǒng)一的巖石圈，其剛性程度加大，出現(xiàn)了巖石圈板塊。23大氣圈的形成與此同時(shí)，由于巖漿活動(dòng)所排出的氣體(CO2與H2O為主，含少量N2)可能形成初步的大氣圈，形成與金星、火星相似的大氣圈。大氣壓力相當(dāng)于現(xiàn)代的300倍，溫度可達(dá)230℃左右，以后逐漸降溫，氣體中冷凝下來的水(富含Cl、SO4離子)，就可覆蓋在幾乎整個(gè)地球表面。24水的形成1998年Zahnle認(rèn)為地球上水主要由富含冰(固體的H2O)的慧星撞擊地球所致。關(guān)于水的起源，留下的證據(jù)不足，也許兩種成因──巖漿排氣與慧星撞擊可能都同時(shí)存在。一般認(rèn)為85%的大氣圈與水圈(海洋)是在44億年前形成的。25水的形成26地球演化的不可逆性總之，宇宙中地球的各圈層—地核、地幔、地殼、大氣圈、水圈與生物圈，都是在相互作用下，不斷地由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由低級(jí)到高級(jí)的演化發(fā)展，并按照各自的規(guī)律(自組織性)、不可逆地、前進(jìn)式的演化。耗散結(jié)構(gòu)論和協(xié)同論指出，自然界非平衡的約束與非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制同時(shí)作用于開放的耗散系統(tǒng)，使系統(tǒng)自發(fā)地由簡(jiǎn)單趨于復(fù)雜，由無序走向有序。27六、均變與災(zāi)變地球的演化：不是勻速、線性地發(fā)展的，而是進(jìn)行著變速的演化；表現(xiàn)為相對(duì)均勻變化與突變（災(zāi)變）交錯(cuò)相間的特征。28均變論18世紀(jì)末葉到19世紀(jì)初葉，地質(zhì)學(xué)的奠基人，郝頓(Hutton,J.,1726～1797)和萊伊爾(Lyell,C.,1797～1875)認(rèn)為：許多大變化是由一系列微小的變動(dòng)逐漸積累而形成的。這就是他們的“均變論”的主要觀點(diǎn)。29災(zāi)變論以居維葉(Cuvier,G.,1769～1832)為代表的“災(zāi)變論”，則認(rèn)為：生物演化過程中，“沒有一種緩慢進(jìn)行的原因能產(chǎn)生突然的效果”，“所以地球上的生命進(jìn)程曾多次被可怕事件所打斷”，“地球表面曾經(jīng)歷過相繼的革命及各種災(zāi)變”。30穩(wěn)定期是一種非平衡的相對(duì)靜態(tài)，演化呈現(xiàn)為相對(duì)有序的特征。這種時(shí)期表現(xiàn)為：大氣圈的年平均溫度基本穩(wěn)定，氣候帶的劃分基本固定，海平面變化幅度較小，生物穩(wěn)定地繁衍、復(fù)蘇或發(fā)育；地磁極變化幅度較小；31穩(wěn)定期地層內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)沉積、地層之間呈現(xiàn)為整合的接觸關(guān)系；

地?zé)崮芊€(wěn)定積累，熱活動(dòng)微弱；巖漿活動(dòng)稀少和微弱；以埋藏變質(zhì)為主；構(gòu)造應(yīng)力逐漸積累與調(diào)整，主應(yīng)力方向不明顯，差應(yīng)力值??；板塊穩(wěn)定升降，水平位移量較于；巖石變形微弱；隕擊微弱，各天體處于相對(duì)穩(wěn)定。 32活躍期突變期或?yàn)?zāi)變期，呈現(xiàn)為極不平衡的無序狀態(tài)。常表現(xiàn)為發(fā)生異常氣象，大氣溫度劇變，氣候帶遷移，海平面大幅度升降，生物種群滅絕，地磁極翻轉(zhuǎn)；地層中出現(xiàn)沉積間斷，地層間呈現(xiàn)出角度不整合接觸關(guān)系；33活躍期地球內(nèi)部熱能大量釋放，巖漿活動(dòng)與各種變質(zhì)作用劇烈；巖石圈內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力猛烈釋放，巖石發(fā)生強(qiáng)烈變形，構(gòu)造應(yīng)力的定向性明顯，差應(yīng)力值較大，板塊升降幅度與水平位移量都較大。常發(fā)生大規(guī)模的隕擊事件，各天體對(duì)地球的引力作用常出現(xiàn)某種的異常變化。3435災(zāi)變事件的滯后現(xiàn)象首先，以一次巨大的隕擊作用作為誘發(fā)因素，引起全球電磁場(chǎng)劇變和地磁極的翻轉(zhuǎn)；隕石撞擊巖石圈表層引起大爆炸，粉塵升到大氣圈上部，遮蔽了太陽(yáng)幅射能，造成全球氣溫驟降；或可引起海平面的劇烈變化，發(fā)生海嘯；隕擊作用后幾年到數(shù)萬年的時(shí)間內(nèi)，大氣與海洋環(huán)境的巨大變化，不能適應(yīng)環(huán)境的生物大量滅絕。36BarringerMeteorCrater37災(zāi)變事件及滯后現(xiàn)象如果隕擊在海洋巖石圈(其厚度僅數(shù)十km)上，將誘發(fā)深部地幔物質(zhì)上涌，促使海洋板塊擴(kuò)張，進(jìn)而推動(dòng)大陸板塊運(yùn)移；在大陸板塊邊緣，從受到影響并進(jìn)而引發(fā)構(gòu)造變形和巖漿活動(dòng)，其時(shí)間要晚些；由于構(gòu)造應(yīng)力的傳遞，板塊邊緣的構(gòu)造變形將產(chǎn)生較長(zhǎng)期的、不相等的滯后現(xiàn)象，一般幾萬年延續(xù)到上千萬年。38地球各圈層演變的機(jī)制全球各層圈的相互作用與運(yùn)動(dòng)變化等機(jī)制是什么？?jī)H僅是地球內(nèi)部各層圈自身演化在起作用?還是各種地外因素在起誘發(fā)作用?對(duì)于這個(gè)問題，目前的認(rèn)識(shí)是很不一致的。39地球各圈層演變的機(jī)制地球本身的熱力、重力等動(dòng)力作用因素，主要是使地球趨向均衡，它們對(duì)于保持各種作用的穩(wěn)定變化起著主導(dǎo)的作用；而活躍期的出現(xiàn)，災(zāi)變事件的發(fā)生，則似乎主要是靠地外事件的誘發(fā)。整個(gè)地球系統(tǒng)的演化是地球內(nèi)部各種作用自身演化與地外各種天文因素共同影響的結(jié)果。40七、各種時(shí)間尺度的周期性變化地球各圈層的運(yùn)動(dòng)變化的時(shí)間尺度與天文周期：280±25百萬年，33±3百萬年；9.5萬年，4.1萬年，2.17萬年；1000~1400年，140~180年，60年，29.8年，11年，1年；13.1~14.76天，1天等。41地球演化的周期性280+25Ma 銀河年,特大隕擊,太陽(yáng)系引力場(chǎng)變化；“代”，板塊運(yùn)動(dòng)，巖漿活動(dòng)等。33+3Ma 太陽(yáng)系穿越銀道面,巨大隕擊作用； “紀(jì)”，板塊運(yùn)動(dòng)，巖漿活動(dòng)等。 42地球演化的周期性2.17、4.1、9.5萬年近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng),黃赤道交角變化,地球軌道偏心率變化；冰期和間冰期、沉積韻律等。1000-1400年九星地心會(huì)聚長(zhǎng)周期；固體潮，地震，火山作用等。43歲差周期：2.1萬年44黃赤道交角變化45地球軌道偏心率46地球演化的周期性140-180年九星地心準(zhǔn)會(huì)聚周期；固體潮，地震，火山作用等。60年四大行星力距效應(yīng),地球公轉(zhuǎn)半徑變化；厄爾尼諾；“天干地支”；固體潮，地震，火山，核-幔耦合作用等