地球的起源
我们一降生到这个世界上,就同地球分不开了。地球作为我们诞生、劳动、生息、繁衍的地方,人类共有的家园,和我们的关系太密切了。那么地球是如何形成的呢?
对于这一问题,自古以来,人们就对它有着种种解释,也留下了很多的神话传说。
我国古代有“盘古开天辟地”之说。相传,世界原本是一个黑暗混沌的大团团,外面包裹着一个坚硬的外壳,就像一只大鹅蛋。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。随着生产的发展,人们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,还需我们不懈的努力。
星云说。法国数学家和天文学家拉普拉斯(1749—1827)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,是一个中心厚而边缘薄的饼状体,在不断缓慢地旋转。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,在引力作用下,环带中残余物质,都被凝固体吸引,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固团,便是太阳,其余围绕太阳旋转,由于行星自转因此也可以产生卫星,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。
灾难学派的假说。1930年英国物理学家金斯提出气体潮生说,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、地球等。
陨石论(施密特假说)。前两种假说都提出了一个原始太阳分出炽热熔融气体状态的物质。施密特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,因此陨星体也应是太阳系成员。因此他于1944年提出了新假说: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60亿~70亿年前,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石体和尘埃团,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接触,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。
以上仅介绍三种关于地球起源的学说,一般认为苏联学者施密特的假说(陨石论)是较为进步的,也较为符合太阳系的发展。根据这一学说,地球在天文期大约有两个阶段:
第一,行星萌芽阶段。即星际物质(尘埃、气体)围绕太阳相互碰撞,开始形成地球的时期。
第二,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、H20、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,伴随灼热熔浆溢出,形成岩侵入活动和火山喷发活动。
以上便是地球演化较新的观点。从第二阶段起,地球发展由天文期进入地质时期。
地球的年龄
地球有多大岁数?从人类的老祖先起,人们就一直在苦苦思索着这个问题。
玛雅人把公元前3114年8月13日奉为“创世日”;犹太教说“创世”是在公元前3760年;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“盘古开天辟地”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46亿年仍是差之甚远。
人们是用什么科学方法推算地球年龄的呢?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。种种因素造成这种计时器失真。
人们又在海洋中找到另一种计时器——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100千米,由此推算,地球年龄约在3亿~10亿年。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,结果还是不正确。
几经波折,人们终于找到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,就会变成原来质量的一半,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。地壳是由岩石组成的,于是又可得知地壳的年龄是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,地球的年龄约为46亿岁。
地球内部圈层结构
科学家们根据无数次地震波在地球内部传播状态的分析,证明地球内部有圈层状的特点。由外向内分三层:地壳、地幔、地核。它们之间就像鸡蛋分为蛋壳、蛋清和蛋黄一样。
地壳是地球内部结构中最外的圈层,是由岩石组成的地壳固体外壳。地壳总厚度在5~70千米之间,大陆地区地壳厚,如青藏高原地区厚度达70千米,大洋地区地壳薄,如大西洋地壳有的地方仅厚5千米。海陆地壳的平均厚度约为33千米,仅占地球半径的二百分之一。地壳的上部主要由相对密度小的花岗岩组成,主要成分是硅、铅元素,称为“硅铅层”。地壳的下部是由相对密度较大的玄武岩组成,主要成分是镁、铁、硅元素,称为“硅镁层”。在地壳的最上层,是一些厚度不大的沉积岩、沉积变质岩和风化土,它们是地壳的表皮。在地壳中,蕴藏着极为丰富的矿产资源,目前已探明的矿物已有两千多种,其中尤以金、银、铜、铁、锡、钨、锰、铅、锌、汞、煤、石油、天然气等人类文明不可缺少的宝贵资源为多。
地幔位于地壳以下,地核以上,亦称为“中间层”。其下界深2900千米。地幔约占地球总体积的833%。地幔可分为上下两层,上地幔约到地下1000千米深处,一般认为,这里的物质处于局部的熔融状态,是岩浆的发源地,地球上分布广泛的玄武岩就是这一层喷发出来的。下地幔在地下1000千米以下到地下2900千米,主要是由金属硫化物和氧化物组成。地幔的质量为405×1021吨,占地球总质量的6777%,温度较高,上地幔为1200~1500摄氏度,下地幔为1500~2000摄氏度。
地核地球内部结构的中心圈层。可分为外核和内核两部分。外核自地下2900千米到地下5100千米,占整个地球质量的315%,体积占整个地球的162%。由于地核在地球的最深处,受到的压力很大,外核的压力已达到136万个大气压,核心部分高达360万个大气压。地核内部的温度高达2000~5000摄氏度,物质密度平均为10~16克/厘米3之间。地核主要由铁、镍组成并含少量其他元素,可能是硅、钾、硫、氧等物质。
地球上的皱褶构造
褶皱是地球外表层岩石区最普遍的一种地质现象,由于褶皱才使地面此起彼伏,就像干缩了的苹果一样。
褶皱是岩层在构造运动水平压力作用下,所产生的一系列波状弯曲,是一种未丧失岩层连续性的塑性变形。单个背斜或向斜称为褶曲,它由核(轴)部和翼等要素组成。褶曲是组成褶皱的基本单位,两个以上的褶曲的组合,才叫褶皱。在自然界总是一个褶曲连着另一褶曲。由于受力状况、强弱不同,弯曲形态和程度也不同。
褶曲基本的形式有背斜和向斜,两者有什么区别呢?
背斜和向斜的最主要的区别主要是根据地层的新老来判断的,背斜的中间(称为核部)是老地层,向斜的中间(核部)是新地层,其他的条件都是不可靠的。例如地貌一般背斜隆起,但如果岩性有差异,背斜所处的岩层容易风化,向斜处的岩层难于风化,则出现相反的情况,背斜成谷,向斜成山,这种现象我们称为地形倒置。
此外,根据褶曲向上弯曲还是向下弯曲,来判别是背斜还是向斜,有时也会发生错误。如一个背斜,由于倒转逐步变为向下弯曲,就会被误判为向斜。同样向斜也可变为向上弯曲的翻卷褶曲。
研究褶皱,不仅在恢复地壳运动方面,而且在找矿、找油、找气、找水等方面都具有重要的意义。此外,研究一个地区的地层、断层应首先研究褶皱。
褶皱轴(核)部往往是矿床富集的地区,向斜是保护所有沉积矿床的最好构造。背斜,尤其是短背是重要储油构造,油、气都储集到轴部,因为油、气比水轻,被水一挤压,便向顶部集中。向斜可以把水“收”集到两翼或轴部,我们找矿、找水、找油,都要搞清褶皱分布,否则就会使钻孔落空。
地球上的断裂构造
岩层的弯曲被称为褶皱,而岩层被错断,使岩层连接性被破坏发生位移或裂开时我们称为断裂。根据断裂程度和规模,我们把那些位移显著、规模较大的断裂称为断层,规模小、位移又不显著的称为节理。一种是受引力产生的、张开裂口的张节理;另一种是由于受扭动产生的剪切应力发生袭面闭合的剪切理。
断层,是地壳表面规模较大的断裂,它可以切穿地壳,进入上地幔,地面延伸数百千米。如我国郯庐大断裂,从东北南部延至长江,乃至贵州,长达千余千米,但有时也有一块平标本上见到仅数厘米的,只要岩层有明显错位的,便可称为断层。
断层由下列几项要素组成。
断层面和破碎带:岩层发生位移时,被错断两盘沿着移动的面称为断层面,在绝大多数情况下往往不是单一的面,而是一系列密集的破裂面或错动破碎带,称为断层破碎带或断层带。
断层线:断层面、破碎带与地面或平面的交线我们称之为断层线,它表示断层延伸的方向。
上盘和下盘:断层面两边的岩层称为断层的两盘。断层以上的称上盘,以下的称下盘。
断距(位移):断距是岩层被断开的距离,也是两盘相对的位移量。因此断距也是衡量断层规模大小的指标之一。
断层,是地球上常见和重要的地质现象,如何判断断层的存在?最主要的有下列各项判断依据:
首先,地貌方面的标志。断层线通过处一般岩层破碎,易于风化,所以断层线通过处,多是负地形,沟谷较多,过去老地质学家常说“逢沟必断”,就是这个意思。当然不是每条沟谷都是断裂,但是沟谷,则需作为断层来考虑,再来寻找依据加以证实。
在地貌上,断层还有很多表现:例如山脊被错断、河流突然拐弯、山地与平原交接处等这些地貌形态发生变化处,往往都有断层通过。