3 地球的起源与演化

    3．1 地球的起源和圈层分异

    地球起源问题自18世纪中叶以来同样存在多种学说。目前较流行的看法是，大约在46亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，温度较低，轻重元素浑然一体，并无分层结构。原始地球一旦形成，有利于继续吸积太阳星云物质使体积和质量不断增大，同时因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度。当原始地球内部物质增温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素加速向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。从此，行星地球开始了不同圈层之间相互作用，以及频繁发生物质-能量交换的演化历史。

    正是由于地球形成以来经历过复杂的改造和变动，原始地球刚形成时的物质记录已经破坏殆尽。我们是怎样推测它已经有46亿年寿命的？这需要从地球自身的最老物质记录、太阳系内原始物质年龄和相邻月球演化史几方面来探讨。

    3．2 地球的年龄

    地球上已知最老的岩石（石英岩，一种由石英颗粒组成的沉积岩，后来遭受过温度、压力条件变化）出露于澳大利亚西南部，根据其中所含矿物（锆石）的形成年龄测定，证明已有41～42亿年历史。根据地质学研究，这种岩石和矿物只能来自地壳的硅铝质部分（见第四章1），而且必须经过地表水流的搬运、筛选和沉积。所以我们可以据此作出推论，地球的圈层分异在距今42亿年前已经完成。

    地质学领域较精确的测定年龄方法，主要根据放射性同位素的衰（蜕）变原理：放射性元素的原子不稳定，必然衰变为它种原子（如238U衰变为206Pb等），而且衰变速率不受外界温压条件变化影响（如238U经过45亿年后其一半原子数衰变为206Pb，故称为半衰期）。我们只需在岩石中测出蜕变前后元素的含量，就可以获得母体岩石形成的年龄。

    不同放射性元素半衰期的长短有很大差异，其测年的精度也存在重要区别（表2-2）。因此，要根据研究对象实际情况选择测试物质，采用合适的方法。例如，时代很新的湖南长沙马王堆考古发掘中，西汉初期（约200BC）的棺木保存完好，可以用14C法测得木材的绝对年龄数值与古墓内的文史资料相当符合。至于地球漫长演化史中保存的物质记录（岩石和矿物），只能采用238U－206Pb、87Rb－87Sr等方法，精度误差允许达到几个百万年。实际操作中包含复杂的技术因素，如测试手段的误差，测年方法使用条件的偏离，野外采样不当（标本已受风化影响，不够新鲜），地质关系观察错误等。这种方法已发展为地质学中一门独立的分支学科——同位素年代学。

    太阳系内的流星、陨石和宇宙尘是太阳星云原始物质的残留部分。陨石在堕落地面前未经重大的改造和破坏，是直接研究太阳系早期历史的极好材料。陨石的物质成分虽有铁质、石质区分，但已知的形成年龄都在46×108年左右，可代表太阳系早期的年龄。

    月球上的岩石（月岩）经过20世纪70年代人类登月考察，已经测得最老的月岩年龄为46×108年，在41×108年前月球内部发生过一次较大规模的增温熔融作用。

    月球表面的大量环形山（crater，希腊文原意是碗，指碗状凹陷地形）以往存在火山口和陨击坑的长期争论，70年代后已经公认绝大部分是小星体撞击形成的阻击坑（图2-10）。这些陨击坑的形成高峰期是在距今41×108～39×108年前，证明月球当时遭受到大量陨星（星子）的撞击。39×108～31×108年前月球表面发生过大规模的火山喷发，喷出的暗色火山岩（玄武岩）充填了大规模环形构造，被称为月海。其余隆起的浅色部分上面密布陨击坑，称为月陆。31×108年以后，月球内部的演化已处于“停滞”状态，太阳风的长期作用（500×106～200×106年，以下简称Ma）形成了厚度不等的月壤。同时地外陨击作用频率显著降低，但形成时代较晚的陨击坑，如哥白尼坑（850Ma前）和第谷坑（109±4Ma前），保存的环形山轮廓和向外展布的辐射纹十分清晰。所以月球表面的环形山可以依据其轮廓清晰程度判别年龄的相对新老。

    根据上述多方面资料相互印证，地球具有46×108年年龄的结论已经得到公认。
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