1第12章新地球觀—地球系統科學2一、地球是一個系統二、地球動力系統三、開放的地球系統四、圈層間的強相互作用五、不可逆的進化六、均變與災變七、各種時間尺度的周期性變化主要內容3一、地球是一個系統地球系統科學—新的地球觀系統，學科眾多，相互交叉從整體論（Holism）角度研究從宇宙體系角度來全面認識行星地球：將地球作為一個行星4二、地球動力系統地球上所有物質都在不斷地運動地球上不同物質的運動都有其獨特的動力學機制它們均受到地球內部和外部因素的影響地球內部：重力場、自轉、溫度、壓力等地球外部：行星、太陽系、銀河系等5三、開放的地球系統地球從宇宙中接受質量和能量星子吸積，隕石太陽輻射能，隕擊地球系統不斷地耗散能量熱量散失轉動慣性能消耗，自轉減慢地球是開放系統將地球作為宇宙巨系統中的一份子6四、圈層間的強相互作用地球系統的復雜性：子系統地球各圈層的強相互作用耦合與解耦作用相鄰兩圈層之間強相互作用殼-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-內外核、放氣、溫度-地幔、地震厄爾尼諾、拉尼娜-地幔放氣、排熱78910五、不可逆的進化生物界：由低級到高級、簡單到復雜演變；時間的不對稱和單向性；生物演化不可逆性。1112五、不可逆的進化地球：地球是如何演化的？整個地球（包括無機界）是否也是從簡單到復雜、低級到高級的不可逆演變？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星云運動速度加大，密度增大，發生凝聚而形成太陽以及圍繞它旋轉的星云物質。14太陽系的起源太陽周圍的固體與氣體物質，經過約5000萬年快速旋轉和冷凝，以固體顆粒(小園球狀的星子)為中心，通過反復隨機碰撞吸積、增大質量，逐漸形成太陽系的9大行星。15太陽系的起源以氣體為主的類木行星(如木星、土星以及土星的衛星等)在溫度較低的太陽系外圈先行形成。在太陽系的內圈、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地球的形成根據球粒隕石年代測定，地球的形成和加大吸積的時期，推測主要發生在45.2～44.8億年前。地球總質量的絕大部分(6×1027g)都是該時期吸積的。后來的40億年內，地球質量只增加1025g，相當于地球總質量的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。17早期的地球—狀態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。由于地球質量巨大，內部溫度、壓力相當高，可發生全球性部分熔融，使原始成分相當于球粒隕石的地球發生圈層化的重力分異作用。181920早期的地球—地核當時地球內部熱量比現代大得多，估計其放射性幅射能約比現代大10倍；地球吸積(隕石撞擊)和圈層分異作用也可產生熱量，使物質分異與遷移，比重較大的鐵鎳物質大量聚集到地心附近，到43億年前，就基本上形成地核(約相當于現代地核的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。下地幔成分相對均一，而上地幔存在著橫向與縱向上化學成分的不均一性。而在地球表部，火山密布，同時還有相當數量的隕石撞擊，在40億年前逐漸形成了原始的大陸，使晶體結構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陸殼的主要增生時期為30～18億年即新太古—古元古代時期，現在所知的大陸地殼基本上都是該時期形成的。在18億年以前的時期，由于地球內部的熱活動一直比較強烈，物質在垂直方向(地球半徑方向)上的分異、對流、遷移等作用都相當劇烈。在18億年以后，地球內部變冷，巖石可塑性變小，使上地幔的頂部層位和地殼合成一個統一的巖石圈，其剛性程度加大，出現了巖石圈板塊。23大氣圈的形成與此同時，由于巖漿活動所排出的氣體(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。大氣壓力相當于現代的300倍，溫度可達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地球表面。24水的形成1998年Zahnle認為地球上水主要由富含冰(固體的H2O)的慧星撞擊地球所致。關于水的起源，留下的證據不足，也許兩種成因──巖漿排氣與慧星撞擊可能都同時存在。一般認為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，不斷地由簡單到復雜、由低級到高級的演化發展，并按照各自的規律(自組織性)、不可逆地、前進式的演化。耗散結構論和協同論指出，自然界非平衡的約束與非線性動力學機制同時作用于開放的耗散系統，使系統自發地由簡單趨于復雜，由無序走向有序。27六、均變與災變地球的演化：不是勻速、線性地發展的，而是進行著變速的演化；表現為相對均勻變化與突變（災變）交錯相間的特征。28均變論18世紀末葉到19世紀初葉，地質學的奠基人，郝頓(Hutton,J.,1726～1797)和萊伊爾(Lyell,C.,1797～1875)認為：許多大變化是由一系列微小的變動逐漸積累而形成的。這就是他們的“均變論”的主要觀點。29災變論以居維葉(Cuvier,G.,1769～1832)為代表的“災變論”，則認為：生物演化過程中，“沒有一種緩慢進行的原因能產生突然的效果”，“所以地球上的生命進程曾多次被可怕事件所打斷”，“地球表面曾經歷過相繼的革命及各種災變”。30穩定期是一種非平衡的相對靜態，演化呈現為相對有序的特征。這種時期表現為：大氣圈的年平均溫度基本穩定，氣候帶的劃分基本固定，海平面變化幅度較小，生物穩定地繁衍、復蘇或發育；地磁極變化幅度較小；31穩定期地層內表現為連續沉積、地層之間呈現為整合的接觸關系；

地熱能穩定積累，熱活動微弱；巖漿活動稀少和微弱；以埋藏變質為主；構造應力逐漸積累與調整，主應力方向不明顯，差應力值小；板塊穩定升降，水平位移量較于；巖石變形微弱；隕擊微弱，各天體處于相對穩定。 32活躍期突變期或災變期，呈現為極不平衡的無序狀態。常表現為發生異常氣象，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；地層中出現沉積間斷，地層間呈現出角度不整合接觸關系；33活躍期地球內部熱能大量釋放，巖漿活動與各種變質作用劇烈；巖石圈內構造應力猛烈釋放，巖石發生強烈變形，構造應力的定向性明顯，差應力值較大，板塊升降幅度與水平位移量都較大。常發生大規模的隕擊事件，各天體對地球的引力作用常出現某種的異常變化。3435災變事件的滯后現象首先，以一次巨大的隕擊作用作為誘發因素，引起全球電磁場劇變和地磁極的翻轉；隕石撞擊巖石圈表層引起大爆炸，粉塵升到大氣圈上部，遮蔽了太陽幅射能，造成全球氣溫驟降；或可引起海平面的劇烈變化，發生海嘯；隕擊作用后幾年到數萬年的時間內，大氣與海洋環境的巨大變化，不能適應環境的生物大量滅絕。36BarringerMeteorCrater37災變事件及滯后現象如果隕擊在海洋巖石圈(其厚度僅數十km)上，將誘發深部地幔物質上涌，促使海洋板塊擴張，進而推動大陸板塊運移；在大陸板塊邊緣，從受到影響并進而引發構造變形和巖漿活動，其時間要晚些；由于構造應力的傳遞，板塊邊緣的構造變形將產生較長期的、不相等的滯后現象，一般幾萬年延續到上千萬年。38地球各圈層演變的機制全球各層圈的相互作用與運動變化等機制是什么？僅僅是地球內部各層圈自身演化在起作用?還是各種地外因素在起誘發作用?對于這個問題，目前的認識是很不一致的。39地球各圈層演變的機制地球本身的熱力、重力等動力作用因素，主要是使地球趨向均衡，它們對于保持各種作用的穩定變化起著主導的作用；而活躍期的出現，災變事件的發生，則似乎主要是靠地外事件的誘發。整個地球系統的演化是地球內部各種作用自身演化與地外各種天文因素共同影響的結果。40七、各種時間尺度的周期性變化地球各圈層的運動變化的時間尺度與天文周期：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,太陽系引力場變化；“代”，板塊運動，巖漿活動等。33+3Ma 太陽系穿越銀道面,巨大隕擊作用； “紀”，板塊運動，巖漿活動等。 42地球演化的周期性2.17、4.1、9.5萬年近日點進動,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年九星地心會聚長周期；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年九星地心準會聚周期；固體潮，地震，火山作用等。60年四大行星力距效應,地球公轉半徑變化；厄爾尼諾；“天干地支”；固體潮，地震，火山，核-幔耦合作用等