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1、,第二章行星地球简史,一、宇宙大爆炸二、太阳系的起源三、地球的诞生四、现代地球环境的逐渐形成五、怎样知道地球的过去？六、同位素年龄测定,一、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。,幼学琼林(明),20世纪初, 斯里弗尔(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个正在以每秒几百公里的高速退行，即离开我们愈来愈远。1929年, 哈勃 (Hubble)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
2、星系正在四散离开，也可以说我们已知的宇宙正在膨胀。,宇宙正在膨胀,在哈勃发表其成果前，就有人根据爱因斯坦的广义相对论，演绎出宇宙在膨胀的理论。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250万km的速度在拉开距离。,宇宙正在膨胀,设想宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密,高温(约1032K，绝对温度1亿亿亿亿度 ).发生大爆炸，“原始原子”迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙.,1927, 勒梅特 (Lematre, 比利时): Big Bang,宇宙形成的过程,大爆炸1s后，温度降为1010K，粒子间的强相互作用、弱相互作用
3、、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。爆炸后约70亿年，太阳系出现。,大爆炸的证据,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。盖莫夫(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.,
4、大爆炸的证据,1964年，威尔逊山上，彭兹亚斯 (Penzias) 和威尔逊(Wilson)利用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(1978诺贝尔物理奖)。19891992年实现了宇宙微波背景探测卫星计划，记录了宇宙微波背景辐射谱，精确地测量了黑体辐射谱的符合温度为2.728 0.004K （主要负责人马瑟和斯穆特获2006诺贝尔物理奖）。,大爆炸的证据,在不同天体上测得的氦的丰度 (即其在天体中的含量)一般都达到20%左右，仅靠太阳上那种氢合成氦的热核聚变，在137亿年左右的时间里是不能造出这么多氦气的，但大爆炸能做到。,三百多年前仙后A座超新星爆炸,现代天文观
5、测中多次记录了超新星爆炸，及两个黑洞撞击爆炸,因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实,二、太阳系的起源,形成于大爆炸发生约100亿年之后,哲学家康德(Kant) 星云说（1755年）,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”.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(Laplace) - 宇宙体系论述（1796年）,旋转星云析出圆环，圆环一次又一次地被分出来，并分别
6、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。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。,星云说,星云：气体和尘埃的凝聚,大部分物质发生引力集聚；部分尘埃和气体由于离心力围绕中心旋转；,行星生长,其它碎片要么合并成行星，要么被太阳风吹走,20世纪初期中期,灾变说：外来恒星擦过乃至撞击了原始的太阳，是太阳物质分离出来形成太阳系。潮汐说：太阳在接近旁边的恒星时，吸引来一些物质形成太阳系。俘获说：设想原始太阳随着银河系公转，在经过有大量星际物质弥漫的太空时，它们吸引在周围，成为行星的物质来源。,遇到的理论障碍：角动量不守恒,
7、但遇到更多障碍，没有长期站住脚,1942年瑞典物理学家阿尔文(H.O.G.Alfven, 1908- ) 提出：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；太阳内部的转速仍可能很快。,星云说进一步完善,三、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,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：1）水、甲烷和氨等液体、气体冻结而成的固体微粒；2
8、）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，不及2%，颗粒细微（1m），微粒弥漫在整个太空中。太阳系的化学成分中氢最多、其次是氦、然后依次为氧、碳、氮、氖、硅、铁、硫等元素。,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。,地球前身的形成,形成地球的冷星云，在万有引力的作用下，物质的微粒互相吸引，形成小的团块，即星子;星子间互相吸引，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;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进行公转和自转。,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
9、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,地球的形成,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；除了万有引力，物质还要受自转所产生的惯性离心力的作用。随着地球体积的缩小，其自转速度加快，物质所受惯性离心力增大。当离心力增大到与引力平衡时，地球的体积就不再缩小。,地球收缩,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
10、，后来地球曾经历过一个高温时期，至少是局部物质处于熔融状态，以后收缩停止，才又逐渐冷却凝结,重力作用与高温的影响，固体地球内部的物质发生部分熔融，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，形成地核；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(可能主要从地幔分离出来)被吸引在固体球的外围。,地球圈层的形成,四、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,4636
11、亿年前（冥古宙）,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的、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;,广泛分布的火山活动,薄弱的地壳在陨石的撞击下，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36亿年前，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(100)，大气中的水蒸汽陆续凝结出来，形成
12、了广阔的海洋，海水中也缺少氧，而且也含有许多酸性物质；,3625亿年前（太古宙）,36亿年前，海洋中开始有了生命的活动。出现最原始的原核细胞生物菌类、蓝绿藻 32-29亿年前能起光合作用的藻类开始繁殖，开始消耗二氧化碳，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,25到6亿年前（元古宙）,经过强烈地壳活动，地球岩石表层发生变形变位，大陆不断扩大，在距今约18亿年前（古元古代末），已接近现在规模。在距今18亿-5.4亿年前（中新元古代时期）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
13、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，到新元古代时期，大气圈的成分才逐渐接近目前的情况。,最近6亿年来（显生宙）,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）,地质年代表,宙(宇)代(界) 纪(系) 起始同位素年龄(Ma) 第四纪(系) 0 新生代(界) 新近纪(系) 古近纪(系) 65.5 白垩纪(系) 中生
14、代（界） 侏罗纪(系) 三叠纪(系) 251显生宙(宇) 二叠纪(系) 石炭纪(系) Carboniferous 古生代(界) 泥盆纪(系) Devonian 志留纪(系) 奥陶纪(系) Ordovician 寒武纪(系) Cambrian 543新元古代(界) 元古宙(宇） 中元古代(界) 古元古代(界) 2500太古宙(宇) 3600冥古宙(宇) 4600,古生代动物群：1）以海生无脊椎动物中的三叶虫、软体动物和棘皮动物最繁盛；2）奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪，相继出现鱼类、古两栖类和古爬行类动物；3）石炭纪和二叠纪昆虫和两栖类繁盛。古植物：海生藻类为主。,中生代：恐龙类、色龙类、翼龙类
15、等,新生代：哺乳动物和被子植物的高度繁盛为特征。,五、怎样知道地球的过去？,地球的历史就记录在岩石之中(p:18-23),沈括（1031-1095）：最早在梦溪笔谈中对地表的许多自然现象进行了科学的解释，如他根据太行山山崖间所见所见海生螺蚌化石推断现在距大海千里的该地在古代曾经是海滨。,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。,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
16、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（绝对年代）,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。,地层：是具有时间意义的岩层或岩层的组
17、合，每一段地层代表着一定的时间。,地层：是具有时间意义的岩层或岩层的组合，每一段地层代表着一定的时间。,早奥陶世（O1）,晚寒武世(1),地层：是具有时间意义的岩层或岩层的组合，每一段地层代表着一定的时间。,地层单位宇界系统阶,地质时代单位宙代纪世期,显生宙古生代奥陶纪早奥陶世Floian期,地质年代表,宙(宇)代(界) 纪(系) 起始同位素年龄(百万年) 第四纪(系) 0 新生代(界) 新近纪(系) 古近纪(系) 65.5 白垩纪(系) 中生代（界） 侏罗纪(系) 三叠纪(系) 251显生宙(宇) 二叠纪(系) 石炭纪(系) Carboniferous 古生代(界) 泥盆纪(系) Devon
18、ian 志留纪(系) 奥陶纪(系) Ordovician 寒武纪(系) Cambrian 543新元古代(界) 元古宙(宇) 中元古代(界) 古元古代(界)太古宙(宇) 3600冥古宙(宇) 4600,要求记住,赫顿（1726-1797）地球论,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”,莱伊尔（1797-1875) (Charles Lyell）,“ 将今论古”，或称现实主义原理(Actualism) 巨著 Principles of Geology (地质学原理)使地质学真正成为一门科学 the present
19、 is the key to the past.,现实主义原理：利用现今地质作用的规律，反推古代地质事件发生的条件、过程及其特点。,古今一致的原则,现在在地球表面上和地面以下的作用力的种类和程度，可能与远古时期造成地质变化的作用力完全相同。既然作用于地球的各种自然力古今一致，那么人们就可以根据现在看到的仍然在起作用的自然力推论过去，解释地质历史时期的各种地质作用和地质现象。,波滚湖底、风积层理、土地龟裂、雨打沙滩,风积层理,图41 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示地层从老到新,化石层序律史密斯(1769-1832),在开凿运河的过程中获得了大批化石，经过他
20、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：指保存在岩层中地质历史时期的古生物遗 物和生活遗迹 。化石的作用：化石是制定地质年代表的主要依据；是寻找沉积矿产的重要依据；是探索生命起源与演化的主要材料。,生物的发展总是从简单到复杂，从低级向高级不断进化，此为生物演化的进步性，同时生物演化还具有阶段性和不可逆性.,古生代,中生代,新生代,始莱德利基虫,德氏虫,寒武纪,腕足动物(石炭纪),图42 地层对比及综合柱状图,器官相关律法国古生物学家居维叶(1769-1832),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
21、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。,使用化石保存的动物残骸来推定它的身体结构和习性。,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。,F1形成于泥盆纪(D)之后新近纪（N）之前;F2形成于晚寒武世(3)之后，泥盆纪(D)之前.,F1,F2,地质年代表,宙(宇)代(界) 纪(系) 起始同位素年龄(百万年) 第四纪(系) 0 新生代(界) 新近纪(系) 古近纪(系) 65.5 白垩纪(系) 中生代（界） 侏罗纪(系) 三叠纪(系) 251显生宙(宇) 二叠纪(系) 石炭纪(系) Carboniferous 古生代(界)
22、 泥盆纪(系) Devonian 志留纪(系) 奥陶纪(系) Ordovician 寒武纪(系) Cambrian 543新元古代(界) 元古宙(宇) 中元古代(界) 古元古代(界)太古宙(宇) 3600冥古宙(宇) 4600,要求记住,六、同位素年龄测定,同位素年龄（绝对年龄）：根据岩石中放射性元素蜕变产物的含量计算而来的岩石生成距今的年龄。,早期历史 1895年：德国伦琴发现x射线 1896年：英国贝可勒尔发现放射性 1898年：波兰 玛丽居里分离出镭 1903年：英国卢瑟福建立放射性蜕变原理 1907年：美国博尔特伍德首次进行U-Pb化学分析 1912年：英国汤姆逊发现同位素（Soddy
23、, 1914?） 1919年：英国阿斯顿发明质谱仪 1927年：英国阿斯顿n首次Pb同位素分析 1938年：尼尔对质谱技术的重大改进,同位素测定技术及其发展,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。,放射性元素在自然界中自动地放射出（粒子）、（电子）或（电磁辐射量子）射线而蜕变成另一种新元素。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/ln（1+D/N） t-时间 -蜕变常数 D-子体同位素总量 N-母体同位素
24、总量 N、D值可用质谱仪测出,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,放射性元素 半衰期 14碳 5730年 226镭 1620年 131碘 8天 24钠 15小时 234镁 72秒 220氡 52秒,放射性元素蜕变,同位素地质测年必备的条件具有较长的半衰期，那些在几年或几十年内就蜕变殆尽的同位素是不
25、能使用的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其子体同位素易于富集并保存下来,同位素年龄,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,最古老的岩石,1973年在格陵兰发现的，年龄为38亿年1983年又在澳大利亚找到几粒年龄为41-42亿年的矿物颗粒。,中国大陆地壳形成年龄,沉积岩,变质岩,岩浆岩,What and How,国际地质年代表（2009）,目前已知的地球的历史有46亿年，如果将这46亿年看作现在的一年。,1月：地球形成,2月：地壳凝结,3
26、月：原始海洋和最早的生命诞生,12月初：植物出现,5月：原核生物出现,11月下旬：海生无脊椎生物出现,12月26日：灵长类出现,12月31日18时24分：人类出现,第二章 行星地球简史(重点内容),现实主义原理（将今论古）地层地层层序律化石化石层序律：不同时代的地层中具有不同的古生物化石组合，相同时代的地层中具有相同或相似的古生物化石组合；古生物化石组合的形态、结构越简单，则地层的时代越老，反之则越新。 地质体之间的切割律器官相关律如何确定相对地质年代(地层层序律、化石层序律、地质体之间的切割律)同位素年龄（绝对地质年龄）地质年代表半衰期,练习题,名词解释：现实主义原理、地层层序律,问答题：怎样确定相对地质年代？“将今论古”原则的基本内容？,填空题：1. 中生代分为3个纪，从早到晚依次为 纪 、 纪 和 纪 。,练习题,选择题：1.在地质年代表中，早古生代（下古生界）由老而新依次由 纪（系）组成。A-寒武纪（系）、奥陶纪（系）、志留纪（系）；B-泥盆纪（系）、二叠纪（系）、石炭纪（系）；C-志留纪（系）、奥陶纪（系）、寒武纪（系）；D-三叠纪（系）、侏罗纪（系）、白垩纪（系）；2. 中生界可以划分为（ ）。A.寒武系、奥陶系、志留系 B.三叠系、侏罗系、白垩系C.泥盆纪、石炭纪、二叠纪D.泥盆系、石炭系、二叠系,
