书城科普读物科学奥秘丛书-探索地球的奥秘
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第1章 地球的起源(1)

自从我们来到这个世界上,就和地球紧密相连了。作为我们诞生、劳动、生息、繁衍的地方以及人类共同的家园,地球和我们的关系太密切了。那么地球是如何形成的呢?

自古以来,人们就对这一问题有着诸多不同解释,同时也留下了很多的神话传说。

我国有“盘古开天辟地”的之说。相传,世界原来是一个黑暗混沌的大团团,像一只大鹅蛋一样外面包裹着一个坚硬的外壳。多年以后,这个大黑团中诞生了一个神人——盘古。他睁开眼睛,可周围漆黑一片,什么也看不见,他挥起神斧,劈开混沌,于是,清而轻的部分上升成了天空,浊而重的部分下沉成了大地。

在西方国家,据《圣经》记载,上帝耶和华用六天时间创造了天地和世界万物。第一天他将光明从黑暗里分出来,使白天和夜晚相互更替;第二天创造了天,将水分开成天上的水和地上的水;第三天使大地披上一层绿装,点缀着树木花草,空气里飘荡着花果的芳香;第四天创造了太阳和月亮,分管白天和夜晚;第五天创造了飞禽走兽;第六天,创造了管理万物的人;第七天,上帝休息了,这一天称为“安息日”,也就是现在的星期天。现在看来,这些美丽的神话传说是没有科学根据的。随着生产力的发展,对太阳系的认识也逐渐深刻。18世纪以来,相继出现了很多假说。近数十年来,由于天体物理学等近代科学的发展、天文学的进步、宇航事业的兴起等为地球演化的研究提供了更多的帮助,现介绍几种假说供参考。但要解开宇宙之谜,还须我们付出不懈的努力。

一、星云说

法国数学家、天文学家拉普拉斯(1749—1827年)于1796年发表的《天体力学》及后来的《宇宙的叙述》中提出太阳系成因的假说——星云说。他认为太阳是太阳系中最早存在的星体,这个原始太阳比现在大得多,是由一团灼热的稀薄物质组成,内部较致密,周围是较稀薄的气体圈,形状是一个中心厚而边缘薄的饼状体,在不断缓慢的旋转。经过长期不断冷却和本身的引力作用,星云逐渐变得致密,体积逐渐缩小,旋转加快,因此愈来愈扁。这样位于它边缘的物质,特别是赤道部分,当离心加速度超过中心引力加速度时,便离开原始太阳,形成无数同心圆状轮环(如同现在土星周围的环带),相当于现在各行星的运行轨道位置。由于环带性质不均一,并且带有一些聚集凝结的团块。这样在引力作用下,环带中残余物质,都被凝固吸引,形成大小不一的行星,地球即是其中一个。各轮环中心最大的凝团,便是太阳,其余围绕太阳旋转,行星自转也可以产生卫星,例如地球的卫星——月亮。这样地球便随太阳系的产生而产生了。

二、灾难学派的假说

1930年英国物理学家金斯提出了气体潮生说,他推测原始太阳为一灼热球状体,由非常稀薄的气体物质组成。一颗质量比它大得多的星体,从距离不远处瞬间掠过,由于引力,原始太阳出现了凸出部分,引力继续作用,凸出部分被拉成如同雪茄烟一般的长条,作用在很短时间内进行。较大星体一去不复返,慢慢地,太阳获得新的平衡,从太阳中分离出长条状稀薄气流,逐渐冷却凝固而分成许多部分,每一部分再聚集成一个行星。

被拉出的气流,中间部分最宽,密度最大,形成较大的木星和土星。两端气流稀薄些形成较小的行星,如水星、冥王星、地球等。

三、陨石论(施密特假说)

以上两种假说都提出一个原始太阳分出炽热熔融气体状态的物质。而施密特则根据银河系的自转和陨石星体的轨道是椭圆的理论,认为太阳系星体轨道是一致的,所以陨星体也应是太阳系成员。于是在1944年他提出了新的假说:在遥远的古代,太阳系中只存在一个孤独的恒星——原始太阳,在银河系广阔的天际沿自己的轨道运行。约在60~70亿年前,当它穿过巨大的黑暗星云时,便和密集的陨石颗粒、尘埃质点相遇,它便开始用引力把大部分物质捕获过来,其中一部分与它结合;而另一些按力学的规律,聚集起来围绕着它运转,及至走出黑暗星云,这时这个旅行者不再是一个孤星了。它在运行中不断吸收宇宙中陨体和尘埃团,由于数不清的尘埃和陨石质点相互碰撞,于是便使尘埃和陨石质点相互焊接起来,大的吸小的,体积逐渐增大,最后形成几个庞大行星。行星在发展中又以同样方式捕获物质形成卫星。

上面只不过介绍了三种关于地球起源的学说,一般认为前苏联学者施密特的假说(陨石论)是较为先进的,也比较符合太阳系的发展。根据这一学说,地球在天文期大体有两个阶段:

一、行星萌芽阶段。即星际物质(硕体、尘埃)围绕太阳相互碰撞,开始形成地球的时期。

二、行星逐渐形成阶段。在这一阶段中,地球形体基本形成,重力作用相当显著,地壳外部空间保持着原始大气(CH·NH4,H2O,CO2等)。由于放射性蜕变释热,内部温度产生分异,重的物质向地心集中,又因为地球物质不均匀分布,引起地球外部轮廓及结构发生变化,亦即地壳运动形成,伴随灼热融浆溢出,形成岩侵入活动和火山喷发活动。

以上是地球演化较新的观点。上述从第二阶段起,地球发展由天文期进入到地质时期。

地球的年龄

自人类出现以来,我们就一直苦苦思索着:地球的年龄到底是多少?

犹太教认为“创世”是在公元前3760年;玛雅人把公元前3114年8月13日奉为“创世日”;英国圣公会的一个大主教推算“创世”时间是公元前4004年10月里的一个星期日;希腊正教会的神学家把“创世日”提前到公元前5508年。著名的科学家牛顿则根据《圣经》推算地球有6000多岁。而我们民族的想象更大胆,在古老的神话故事“盘古开天地”中传说,宇宙初始犹如一个大鸡蛋,盘古在黑暗混沌的蛋中睡了18000年,一觉醒来,用斧劈开天地,又过了18000年,天地形成。即便如此,离地球的实际年龄46亿年仍相差甚远。

人们根据什么科学方法推算地球的年龄呢?那就是天然计时器。

最初,人们把海洋中积累的盐分作为天然计时器。认为海中的盐来自大陆的河流,便用每年全球河流带入海中的盐分的数量,去除海中盐分的总量,算出现在海水盐分总量共积累了多少年,就是地球的年龄。结果得数是1亿年。为什么与地球实际年龄相差45亿年呢?一是没考虑到地球的形成远在海洋出现之前;二是河流带入海洋的盐分并非年年相等;三是海洋中盐分也常被海水冲上岸。种种原因都造成这种计时器失真。

在海洋中,人们又找到了另一种计时器——海洋沉积物。据估计,每3000~10000年,可以造成1米厚的沉积岩。地球上的沉积岩最厚的地方约100公里,由此推算,地球年龄约在3~10亿年。这种方法也忽略了在有这种沉积作用之前地球早已形成。所以,结果仍然不正确。

人们在几经波折之后最终找到了一种稳定可靠的天然计时器——地球内放射性元素和它蜕变生成的同位素。放射性元素裂变时,不受外界条件变化的影响。

如原子量为238的放射性元素——铀,每经45亿年左右的裂变,就会变掉原来质量的一半,蜕变成铅和氧。科学家根据岩石中现存的铀量和铅量,算出岩石的年龄。地壳是岩石组成的,于是又可得知地壳的年龄,大约是30多亿年,加上地壳形成前地球所经历的一段熔融状态时期,地球的年龄约46亿岁。

地球的幼年时期——太古代时期

地球在经过漫长天文期以后,正式成为了太阳系的一名成员。又经过了大约22亿年,地球发展便进入到地质时期——太古代。这段从46亿年前~38亿年前的地质时期有哪些特点呢?

一、薄而活动的原始地壳

有关资料显示,原始地壳的部分或许更接近于上地幔。硅铝质和硅镁质尚未进行较完全的分异,因此太古代时期的地壳是很薄的,也没有现在这样坚固复杂。由于地球内部放射性物质衰变反映较为强烈,地壳深处的融熔岩浆,不时从地壳深处,沿断裂涌出,形成岩浆岩和火山喷发。当时到处可见火山喷发的壮观景象。因此现在我们从太古代地层中,普遍可见火山岩系。

二、深浅多变的广阔海洋中散布着少数孤岛

海洋在当时的地球表面上还占据着绝对优势,而陆地面积相对较少,海洋中散布着孤零的海岛,地壳处于十分活跃状态,海洋也因强烈的升降运动,而变得深浅多变。陆地上也有多次岩浆喷发和侵入,使上面局部地区固结硬化,地壳慢慢向稳定方向发展,因此太古代晚期形成了稳定基底地块——“陆核”。

陆核的出现,标志着地球有了真正的地壳。

三、富有二氧化碳,缺少氧气的水体和大气圈

地球表面在太古代时期,尽管已形成了水圈、岩石圈和大气圈,不过那时的地壳表面,大部分被海水覆盖,由于大量火山喷发,放出大量的CO2,同时又没有植物进行光合作用,海水和大气中含有大量的CO2,而缺少氧气。大气中的CO2随着降水,又进入到海洋,因此海洋中HCO3-浓度增大。岩浆活动和火山喷发的同时,带来大量的铁质,有可能被具有较强的溶解能力的降水和地表水溶解后带入海洋。含HCO3-高浓度海水同时具有较大的溶解能力和搬运能力,因此可将低价铁源源不断地搬运至深海区,这就是太古代铁矿石占世界总储量60%,而且矿石质量好,并且在深海中也能富集成矿的原因。

四、太古代的地层,都是一些经过变质的岩石

例如有变粒岩、片麻岩、混合岩等深变质的岩石。我国太古代地层只分布在秦岭、淮河以北地区。出产鞍山式铁矿的泰山、鞍山、吕梁山、太行山等地均有太古代地层。

地球的少年时期——元古代时期

地球发展从26~6亿年前,人们把这段经历了20亿年的漫长历史称为元古代。

正是在这个漫长的时期,地球上许多事物从无到有,就像是一个人的少年时代,长成了初步的轮廓。

太古代末期的一次地壳运动,在我国被称为泰山运动、鞍山运动或阜平运动。太古代形成的陆核,到元古代时期进一步扩大,稳定性增强,形成规模较大的原地台,后又经过几次地壳运动,原地台发展为古地台,地壳发展也由单层结构发展为双层结构。双层结构,就是有结晶基底和沉积盖层,在世界范围内出现八大地台与九大地槽对立的局面。

这时,已有丰富繁多的藻类出现在海洋中,因为这些布满海洋的藻类植物的光合作用,吸收大量CO2放出氧气,使这时海洋和大气中有较多的游氧存在,同时CO2也相对减少,为生物发展准备了物质条件。

我国有一套专门的地层名词使用于元古代末期,称为震旦系,指的是8~6亿年这段时期。这是1924年李四光先生在长江三峡地区所建立的地层系说。“震旦”是中国的古称(这套地层名称目前尚未在国际上采用)。在震旦纪的后期,有一次世界性的大冰期。我国大部分地区均有分布。冰期是指较大范围内的气温下降,雪线降低(一般雪线在5000米海拔高度左右),冰原扩大(例如震旦冰期时,长江三峡,贵州、湖南、江西等省均有分布)。震旦纪的磷矿、锰矿都是我国重要的含矿层位。例如开阳磷矿、襄阳磷矿、浏阳磷矿、湘潭锰矿等,都产于这一时代。

地球的青年时期——古生代时期

古生代大约是公元前6~2.3亿年,经历了3.7亿年的历史。这比起太古代和元古代来,时间不算很长,但从地球的发展来看,却是一个重要的时期,这犹如人生的青年时期。根据发展可分早、晚两个阶段:

一、早古生代划分为三个纪

寒武纪是根据英国威尔士西部的寒武山而得名;奥陶纪是英国威尔士一个民族的名称;志留纪是威尔士民族居住地。

二、晚古生代也划分为三个纪

在早、晚古生代之间有一个称为加里东运动的地壳运动。海西运动结束了古生代的历史。泥盆纪是根据英国西南的德文郡命名,日译为泥盆,我国沿用至今。石炭纪,因盛产煤层而得名,石炭是煤的旧时称呼。二迭纪首先研究地点在乌拉尔山西坡——彼尔姆,因这套地层明显具有上、下两部分,日译为二迭纪,也为我国采用。

到了这一时期,地壳的发展慢慢稳定,加里东运动以后,世界绝大部分地槽回返褶皱,古生代末期海西运动后,世界范围内仅剩下两在地槽与两在古陆对立形势,地球在这时的南北分异较为明显。古地理发展的海陆配置,这时也发生较大变化,初步建立了现时地貌轮廓。生物的演替,经过了几次飞跃,植物与动物都先后征服了大陆,高等生物发育繁衍。该时期主要地质事件有:

1.由海洋占绝对优势到陆地面积不断扩大。前古生代,地球上出现不少古陆,但多为一些地槽海所分隔,在元古代褶皱回返的地槽,到古生代时又重新下陷,形成广阔的地台浅海,因此早古生代时,地球仍然是汪洋泽土,海洋占有绝对优势。早古生代,特别是志留纪末期的地壳运动,称为加里东运动。这次运动后,加里东地槽全部回返褶皱,另一些地槽也部分发生褶皱回返,如蒙古地槽北缘的阿尔泰——萨彦岭地区;阿马拉契亚地槽的北段和南段的一部分;塔斯马尼亚地槽的南段等。