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第十一章地球系统.ppt

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开放的系统及圈层之间的相互影响 地球演化的方式-均变与灾变 地球演化过程中主要的时间周期,第十一章 新地球观 -地球系统科学,一旦进入到探索机理、追溯过程的新层次,地球科学就成为引人入胜、动人心弦的事情,内中情趣决不下于侦探案件。地球系统充满了丰富多彩的待破案件和未解之谜,它们不仅是科幻作品的绝妙素材,更足以吸引科学界的有志之士去贡献自己的聪明才智。---汪品先,一、地球是一个系统,从整体论(Holism)角度研究 地球系统科学—大系统,学科众多,相互交叉 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 太 阳 系 220 km / s 地球公转 30 km / s 地球自转 (赤道) 230 m / s 空气流动 0 - n  10 m / s 水的流动 0 - n m / s 岩 石 圈 0 - n cm / a 地 幔 0 - n mm / a,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:月球、行星、太阳系、银河系等,三、开放的地球系统,地球是开放系统 将地球作为宇宙巨系统中的一份子 地球从宇宙中接受质量和能量 星子吸积, 陨击 太阳辐射能,宇宙射线 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,四、圈层间的强相互作用,地球系统的复杂性:子系统间强相互作用 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、岩石圈放气、温度 - 地幔、地震 厄尔尼诺、拉尼娜 - 地幔放气、排热,,,El Niño and La Niña,,,八十年代美国John Martin提出了“铁假说”,认为海水中铁元素的缺乏,限制了浮游植物的生长,因为海洋浮游植物的生长必须有微量的铁,而铁在现代氧化环境下的海水中极难溶解。冰期时风尘大作,为大洋带来铁元素、提高生产力,从而降低大气二氧化碳,正好解释了极地冰芯中温室气体(CO2 ,CH4)的浓度、大气降尘的浓度与冰盖体积一起变化的记录。,为了检验“铁假说”,近年来在东太平洋和南大洋 先后进行了“铁肥试验”,从船上将二价铁倾入海中,果然诱发出藻类勃发,生产力增加高达数十倍,证明了铁的确是大洋生产力的限制因素,而且风尘增加可能是冰期中大气CO2减少的原因,也证明了陆地-海洋-生物-大气之间环环相扣的因果关系。,五、不可逆的进化,生物界: 由低级到高级、简单到复杂演变 随时间演化的不对称性和单向性 生物演化不可逆性,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?,太阳系的起源,太阳周围的固体与气体物质,经过约500万年快速旋转和冷凝 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。,地球的形成,根据球粒陨石年代测定,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1× 1025 g,相当于地球总质量的1/600。 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-、SO4-4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。,,,水的形成,地球演化的不可逆性,总之,宇宙中地球的各圈层—地核、地幔、地壳、大气圈、水圈与生物圈,都是在相互作用下,不断地由简单到复杂、由低级到高级的演化发展,并按照各自的规律、不可逆地、前进式的演化。,地球演化的不可逆性,耗散结构论和协同论指出,自然界非平衡的约束与非线性动力学机制同时作用于开放的耗散系统,使系统自发地由简单趋于复杂,由无序走向有序。,六、地球演化的方式— 均变与灾变,均变论,18世纪末叶到19世纪初叶,地质学的奠基人,郝顿(Hutton, J., 1726~1797)和莱伊尔(Lyell,C., 1797~1875)认为: 许多大变化是由一系列微小的变动逐渐积累而形成的。 这就是“均变论”的主要观点。,灾变论,以居维叶(Cuvier,G., 1769~1832)为代表的“灾变论”,则认为: 生物演化过程中,“没有一种缓慢进行的原因能产生突然的效果”,“所以地球上的生命进程曾多次被可怕事件所打断”,“地球表面曾经历过相继的革命及各种灾变”。,1927年,前苏联地质学家库里克开始研究。看到一望无际的烧焦的树木,认为大火是在大范围内辐时燃烧起来的,并没有找到火山口。,地球的演化: 不是匀速、线性地发展的,而是变速的演化; 表现为相对均匀变化(均变-稳定期)与 突然变化(灾变-活动期)交错相间的特点。,稳定期(均变),是一种非平衡的相对静态,演化呈现为相对有序的特征。 大气圈的年平均温度基本稳定, 气候带的划分基本固定, 海平面变化幅度较小, 生物稳定地繁衍、复苏或发育; 地磁极变化幅度较小;,稳定期,地层内表现为连续沉积、地层之间呈现为整合的接触关系 地热能稳定积累,热活动微弱;岩浆活动弱;以埋藏变质为主; 构造应力逐渐积累与调整;差应力值小,主应力方向不明显;板块稳定升降,水平位移量较小;岩石变形微弱; 陨击作用微弱,各天体处于相对稳定。,活跃期(灾变),突变期或灾变期,呈现为极不平衡的无序状态。 常表现为发生异常气象,大气温度剧变,气候带迁移 海平面大幅度升降 生物种群灭绝 地磁极翻转; 地层中出现沉积间断,地层间呈现出角度不整合接触关系;,活跃期,地球内部热能大量释放,岩浆活动与各种变质作用剧烈; 岩石圈内构造应力猛烈释放,岩石发生强烈变形,构造应力的定向性明显,差应力值较大,板块升降幅度与水平位移量都较大。 常发生大规模的陨击事件,各天体对地球的引力作用常出现某种的异常变化。,灾变事件,首先,以一次巨大的陨击作用作为诱发因素 引起全球电磁场剧变和地磁极的翻转 陨石撞击岩石圈表层引起大爆炸,粉尘升到大气圈上部,遮蔽了太阳幅射能,造成全球气温骤降;也可引起海平面的剧烈变化,发生海啸; 陨击作用后几年到数万年的时间内,大气与海洋环境的巨大变化,不能适应环境的生物大量灭绝。,2-5万年前重约7万吨的陨石,以每小时约6.9万千米的速度撞入地球,在美国亚利那州的沙漠上留一个丑陋疤痕-巴林杰陨石坑。,而陨石本身在这个过程中粉碎了。陨石坑宽1264米,深174米,是世界上最大的撞击陨石坑。撞入地面。其爆炸的能量可能是毁掉日本广岛市的原了弹的40倍。,通古斯大爆炸,1908年6月30日,俄罗斯西伯利亚的通古斯卡地区,一团巨大的火球划破夜空,引发了一场相当于1000枚广岛原子弹能量总和的大爆炸,爆炸引起的大火,烧毁了周围数百英里内的原始森林。大爆炸后的数日内,通古斯卡地区方圆9000英里的天空,被一种阴森的桔黄色所笼罩,犹如一个巨大的火球,远在西欧的人,竟然能在夜间不用灯火看报!,只有核爆炸才有如此威力。 库里克的结论:是一颗庞大的陨石在快速运动中,与大气摩擦后,充分燃烧分解,引起大爆炸。 但没有找到任何陨石碎片。,法斯特测出了大爆炸所摧毁的树木占地约850平方英里。经过35年的努力,拼出了该区域内被毁树木的详图。 推算出,这片原始森林,是被一个自西向东飞行的,相当于1~2千万TNT当量的天体,在距地面4的英里的高空爆炸所毁。,意大利核物理学家测出,1908年被击毁的冷杉,其微量元素远远高于其它年份,这些微量元素不可能源于地球,-----大爆炸与陨石有关。,美国科学家用计算机模拟出:当一块直径约200英尺的陨石以45°角撞向地球时,由于与大气的剧烈摩擦,恰好在距地4英里的高空处爆炸,冲击波扬起的地面尘埃高达大气外层,反射回的日光恰好解释了当年通古斯卡周边地区的如昼之夜。,,灾变的滞后现象,如果陨击在海洋岩石圈(其厚度仅数十km)上,将诱发深部地幔物质上涌,促使海洋板块扩张,进而推动大陆板块运移; 在大陆板块边缘,从受到影响并进而引发构造变形和岩浆活动,将产生较长期的、不相等的滞后现象,一般几万年延续到上千万年。,地球各圈层演变的机制,地球本身的热力、重力等动力作用因素,主要是使地球趋向均衡,它们对于保持各种作用的稳定变化起着主导的作用; 而活跃期的出现,灾变事件的发生,则似乎与地外事件的诱发有关。 整个地球系统的演化是地球内部各种作用自身演化与地外各种天文因素共同影响的结果。 李四光---天文、地质、古生物,七、各种时间尺度的周期性变化,地球各圈层的运动变化的时间尺度与天文周期: 280±25百万年,33±3百万年; 9.5万年,4.1万年,2.17万年; 1000-1400年,140-180年, 60年,29.8年,11年,1年; 13.1-14.76天,1天等。,地球演化的周期性,26525Ma 银河年,特大陨击,太阳系引力场变化, 地质年代--“代”,板块运动,岩浆活动等。 333Ma 太阳系穿越银道面,巨大陨击作用,地质年代--“纪”,板块运动,岩浆活动等。,地球演化的周期性,9.5 、4.1、 2.17万年9.5万年—公转轨道偏心率变化 4.1万年--黄赤道交角变化2.17万年--近日点进动冰期和间冰期、沉积韵律等。 1000 - 1400 年 九星地心会聚长周期;固体潮,地震,火山作用等。,地球演化的周期性,140 - 180 年 九星地心准会聚周期;固体潮,地震,火山作用等。 60 年 四大行星力距效应,地球公转半径变化;厄尔尼诺;“天干地支”;固体潮,地震,火山,核-幔耦合作用等。,地球演化的周期性,29.8 年 地球自转速率变化,极移;内核振动周期。 11 年 太阳黑子活动,地球自转速率变化;厄尔尼诺; 磁暴;地震活动短周期。,地球演化的周期性,1 年 地球公转一周;日幅射周年变;生长季节变化;固体潮。 13.1- 14.76 天 月球半月潮;大气超长波变;半月潮;固体潮,余震。,地球演化的周期性,1 天 地球自转一周;日幅射; 半日潮; 生物钟;固体潮。,
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