地球科学原理之二十二 地球的起源及早期演化

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前面，我们讨论了第二章：冰川的地质作用及其证据。现在，我们来讨论第三章：地球的去气作用和地球演化过程中的化学平衡。我们先来看看地球去气作用。

  海洋是由于地球的去气作用产生的水形成的(Deming, 2002; Redfern, 2000)。大气中，除氧气等极少数气体外，绝大多数气体，如氮气、氩、二氧化碳等，都是由于地球的去气作用形成的(Nunn, 1998; Allard, 1983)。火山喷发和地震，是地球去气作用的主要途径，会将大量的地内气体排入大气中(Thordarson and Self, 1996; Thordarson et al, 1996; Muenow et al, 1979; Stoiber et al, 1980; Signorelli et al, 1999)。植物的光合作用，消耗二氧化碳等温室气体，除制造大量的有机物外，还产生大量的氧气供地球上生物的生存。地球的去气作用，还与全球变暖、冰川形成等全球变化，有着密切的关系(Nunn, 1998)。有关地球的去气作用，已有大量的研究，人类对其也有一定的认识（Nunn, 1998; Allard, 1983; Thordarson and Self, 1996; Muenow et al, 1979; Stoiber et al, 1980; Signorelli et al, 1999)。但有关地球去气作用的运作机制，目前为止，尚没有一个系统的研究。所以，利用目前人类积累的资料进行约束，对地球的去气作用，进行综合、系统的研究，是必要的；也是最终解决全球变化问题的必须。

1  地球的起源及早期演化

1.1  概述

  有关太阳系的起源，有很多种假说。现在大家比较一致地认为，太阳系是由冷星云物质演化来的(Anders E, 1968)。地球作为太阳系里的一颗行星，肯定也和太阳系的其它星体一样，具有相同的起源。也就是说，地球也是由于冷星云物质不断演化来的(Valley, 2002; Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Tolstikhin and Hofmann, 2005; Taylor, 1993; Anderson and Phinney, 1967)。

  在大小不等的星子进一步演化成行星及卫星的过程中，吸积作用，是主要的星体增大体积和质量的作用(Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Taylor, 1993)。通过吸积作用，行星和卫星的体积和质量不断增大。星体越大，吸积作用就越强。这样，无数的太阳系物质，经过吸积作用，形成了有限的行星和卫星。地球，就是这样通过不断的吸积作用形成的。

  现今的地球，是一个圆的地球。除赤道受月球的引力影响，有一定的膨胀，呈旋转椭球体外，可以认为地球是一个标准的圆球。一个物体，要成为一个标准的圆球，它肯定熔融过。只有熔融过的物体，在自身重力的作用下，才会成为标准的圆球体。要不然，它不会具有这样标准的球体形状。

  一个冷的地球，要变成一个热的、熔融的地球，它需要大量的热量。综合分析地球的起源过程，能造成地球熔融的热量，可能有三种：吸积作用时外星体（可大至质量达地球的十分之几；也可小至宇宙尘埃）的动能转变为热能(Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Lyons and Vasavada, 1999)；组成地球物质的放射能转变为热能(Hanks and Anderson, 1969; Wood, 1968)；地球在熔融状态下由于重力分异作用及体积收缩，重力势能转变为热能(Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Kappelmeyer and Haenel, 1974)。

  重力势能转变为热能，只有在地球充分熔融后，才可能起作用。它只可能使地球一旦熔融后（可以是部分熔融，也可以是全部熔融），使其内部温度更高。所以，这不是一种使冷地球变成熔融地球的起始能量。那么，造成地球从冷地球变成熔融地球的起始能量，就只有吸积作用的动能和放射能了。

  地球内部散热少，热量容易得到保存和积累，而表面的热量较容易通过辐射散失到宇宙空间去。所以，若是放射能为主造成地球由一个冷的地球变成熔融地球的话，那它肯定首先从内部开始，造成地球内部首先熔融，然后再向外扩展。

  在吸积作用引起的碰撞过程中，碰撞时的动能，除一部分以声、光等能量释放入宇宙空间外，大部分动能转变为热能（若我们能算出以声、光等形式释放的能量的比例，我们就可以知道地球的吸积作用总共产生了多少热能）。碰撞体与地球碰撞时，碰撞体和碰撞体周围的地球或地球胚表面产生大量热。这个热量，会使地球表面的温度不断增高(Taylor, 1993; 吴泰然和何国琦, 2003)。

  若是以吸积作用的动能为主造成地球由一个冷的地球变成熔融地球的话，那它肯定首先从外部作用于地球，造成地球外部首先熔融，然后再向内扩展。因为，吸积作用时，撞击地球的外星体，只可能从外部撞击地球。

  比较放射能和吸积作用时的动能两者之间的大小，可以发现，放射能，在短期内的能量是相当小的。它的作用，只可能表现在积累效应上。从地球的起源看，地球本身就是由于吸积作用而形成的。由地球的质量可知；吸积时，外星体撞击地球的速度也可大体推知。由Ek=1/2mv2（Ek，动能；m，地球质量；v，撞击速度）可求得地球吸积过程中的总动能。而放射性热能仅为2.37×1020cal/年(陈永生和李自安, 1998)，所以，吸积过程中的总动能转变成的热能，肯定远远大于地球从开始形成前10亿年的总放射能。所以，地球吸积时，被地球重力吸引的外星体的动能转变成的热能，才应是使地球熔融的主要能量。由于吸积作用时的动能是主要的使地球熔融的能量，所以，地球也应该是从外部开始熔融的。

1.2  吸积作用及其演化

  在41亿年前形成的月壳或水星壳上，至今尚能观测到很多39亿年前外星体撞击形成的撞击坑(欧阳自远,1994a; 欧阳自远,1994b)。这说明：第一，从41亿年前至39亿年前，有大量的外星体撞击过月球和水星；39亿年前之后，外星虽然仍在撞击，但撞击频率大大降低。第二，我们现在能观测到月球和水星的撞击坑，说明月球和水星的质量和体积，在这时就已经通过吸积作用而形成。因为地球或太阳系的大约年龄是45-46亿年(Wood, 1968; Nutman et al, 2001)，所以，我们可以说，太阳系的行星（如水星和地球）和卫星（如月球）的质量和体积，是在46亿年前至41亿年前形成的。如果地球是由于吸积作用形成的学说是正确的；太阳系的形成年龄约46亿年也是正确的话，那像地球、水星、金星等的质量和体积，也是在这近5亿年里通过吸积作用形成的。这就说明，41亿年前至39亿年前，以月球表面为证，外星曾高频率猛烈撞击太阳系的行星和卫星；而46亿年前至41亿年前，要通过吸积作用形成像地球这样大的质量和体积的星体，撞击频率和规模，远远超出41亿年前至39亿年前的撞击。

  在这种高密度、全方位的撞击下，撞入地球（或地球胚）的小尘埃物质，除造成地球胚表面局部熔融外，自己可能就完全熔融了。撞入地球或地球胚的较大尘埃物质，虽然核心尚能保存固体状态，但表面也和地球或地球胚的撞击表面一样成了熔融状态。撞击地球胚或地球的物质质量和体积越大，保留下来的未熔融核也就越大。这样，就由熔融部分和非熔融部分共同组成了地球胚。早期的地球胚，由于质量和体积都较小，相对表面积大，保温能力弱，而散热能力强。质量小，保留的放射性物质也少。更为重要的是，质量越小，万有引力也就越小，吸引其它星体引起撞击的可能性也就越小。这样，就不可能使撞入地球胚的未熔融核继续熔化。若短时间内没有其它星体撞入的话，甚至会使本身的温度逐渐降低，从而使已熔融的物质变成固态物质。这可能就是很多较小行星外形不呈球形，而呈不规则形状的原因(Anderson and Phinney, 1967)。只有当星体通过吸积作用，体积和质量足够大、熔融物质足够多时，才可能呈球形（这可以通过观测太阳系里最小体积和质量的球形体行星，来大概推算要形成球体的最小体积和质量(Anderson and Phinney, 1967)。当地球胚足够大时，由于引力增大，撞击更加频繁。地球胚表面因频繁的撞击而呈熔融状态。但地球胚的内部和较大撞击体的核心部，仍呈固态。

  所以，在46亿年前至41亿年前（对于地球，可能是46亿年前至39亿年）这段时间，的撞击频率，也不是一样的。综合考虑太阳系可供吸引的宇宙尘埃物质或小星体的数目和吸积行星的质量变化，可以认为：一开始，虽然宇宙尘埃物质或小星体数目多，但地球等行星的质量和体积小，引力小；所以，吸积作用引起的撞击少。后来，随着地球等行星的体积和质量的增大，引力增大，出现一次吸积撞击的高峰期。最后，虽然地球等行星和体积和质量变得更大，引力更强，但随着能被吸引的宇宙尘埃和小星体的数目减少，吸积撞击频率也减少。至39亿年前，大规模的撞击已经很少见了。所以，地球的吸积作用，表现为先慢、后快、然后再慢的变化过程。吸积作用最强的时候，也是地球体积和质量增加最快的时候。

  虽然现在仍有少量外星体以陨星的形式加入地球(Grieve, 1998)，但地球的吸积作用，在41亿年前基本结束，39亿年前全部结束。在地球熔融的初期，地球基本呈现为一种表面熔融、但内部由地球未熔融的内部固体部分和很多撞入的较大外星体固体核等共同构成的态势；或者称为部分熔融体。

1.3  放射能和重力势能对地球熔融的作用

  早期的星际物质（由太阳刚衍生来时），就应有放射性，可能越是早期，放射性越强。但是，由于吸积作用发生前的星际物质，体积和质量都较小，相对表面积比较大，这样，虽然有较强的放射性发热作用，但只要其体内发热作用小于表面的热辐射作用，这些星际物质的温度就不会升高。就算其发热相当大，会使这些小星体升温。因这些星际物质或小星体，肯定不会有大气层，没有保温作用，随着其温度升高，热辐射能力随着增强，最终会使其发热量等于辐射的热量。星际物质越小，体积越小，相对表面积越大，辐射的热量就越多。所以，很小的星体物质，是不可能有高温存在的。随着吸积作用，星体体积越来越大，放射性物质越来越多，而相对表面积则越来越小。这样，发热能力增强，而散热能力降低。大量的热量保存在较大星体（如地球）内部，就有可能使地球内部温度升高。

  早期吸积作用时，各种不同比重和密度的物质吸在一起，地球中心和地球表面的物质密度和比重相差不大，可以认为地球从外至内具有均匀的比重和密度。

  对于放射性物质来说，这时的地球中心和表层应具有相似的分布。由放射性物质引起的发热，从表至内，也应是相似的。在地球形成早期，吸积作用引起的碰撞主要发生在地球的表层。地球的表面热量远大于内部。在吸积碰撞和放射性发热的共同作用下，地球表面的热量不断增大，温度不断上升。当其上升至低熔点物质（如花岗岩类硅酸盐岩）的熔点时，这类低熔点物质开始熔化。而这时，地内的物质，由于受碰撞的影响比较小，仅在放射性发热的作用下，温度还不至于升至岩石熔化的程度。所以，早期的地球开始由冷变热的时候，首先是从表层开始的。

  由于花岗岩类低熔点岩石，恰好又是较轻的岩石，它们的比重较小。所以，当它们熔化成液体后，将向地表运动，而混杂在它们之中的其它高熔点岩石（如玄武岩或橄榄岩），恰好又是大比重岩石，这些岩石较重，且处于尚未熔化状态，所以，在重力的作用下，将向地心运动。这样，在地球内部物质尚未熔化的状态下，表层物质从开始熔化时，就开始了重力分异分层。重力分异过程中，大量的重力势能转变为热能(Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Kappelmeyer and Haenel, 1974)。

  地内物质虽然没有碰撞能，但在重力分异能和放射能的共同作用下，地球内部的温度逐渐增高。放射能，在地球内部的各处，均是相等的。但重力分异能，均发生在液态的环境下或液态和固态交界的地方（只有处于液态的物质，才可能发生重力分异作用，固态的物质，是不可能发生重力分异作用的）。而且，从高温的地表沉下来的物质，也带来大量地表的热量。地球的熔化，从地表逐渐向地心移动。

  在地球的熔化层逐渐向地心移动的过程中，至39亿年前，剧烈碰撞时期结束，地球的吸积作用基本结束。由于失去了外星体撞击带来的热量，地表的重力分异作用也基本完成。地表层，仅只有放射能在不断补充热量。但液态的岩浆，传热能力远大于固体的岩石。放句话说，这时的地球表层，产热能力下降，而散热能力加强。当产热小于散热时，地表温度下降。当温度下降至花岗岩类岩石的熔点时，浮在液态岩浆表层的花岗岩类岩浆开始凝固成花岗岩。这就是最早的地壳。

  当地球表层开始形成花岗岩类岩石时，地球的内部善没有完全熔化。由于固态的岩石散热能力远小于液态的岩浆。在地表形成固态的岩石后，就好像给地球穿上了一件保暖的外衣。在这个外衣的保护下，地内物质重力分异和放射能发热产生的热量不能逃逸。随着时间的推移，放射性发热可能会有所减弱，但随着地壳下液态岩浆层的越来越厚，重力分异作用越来越强。在这些作用的综合作用下，虽然地表形成了固态的地壳，可能还在不断增厚，但地球内部的液化作用则越来越强。最终，除地表的地壳外，整个地球完成了液化过程。由于除地壳外，整个地球完成了液化过程，铁、镍等重金属物质，沉向地心，形成地核；而相对较轻的物质，不断向地表移动，不断补充地壳下的花岗岩岩浆。和地核的铁镍地核相比，相对较轻的橄榄岩类物质，也相应地向地表移动，形成地幔。这样，完整的地核、地幔和地壳等构成的地球内部结构终于形成。

  后来，随着地球分异作用的完成，地球就只剩下放射性产热。且放射性产热随着时间的推移，也在不断减弱。虽然地球有了地壳这件外衣，但总是在不断散热。这样，随着时间的推移，当散热量大于产热量时，地球整体的温度就要不断地降低。随着地球的温度降低，地表的地壳，或岩石圈，将不断增厚。

  由于岩浆到底呈液态或呈固态，由物质本身性质（主要为该物质的熔点）、温度和压力三者共同决定。地球的内部压力基本没有变化，但温度却在不断降低，这样，除外层的岩石圈，在常压下都呈固态外，地内物质，虽然温度仍超过其常压下的熔点，但因压力太大，而呈现准固态状。这些准固态物质，在地震波作用下，表现为固态物质的性质。但当这些准固态物质处于较低压力下时（如常压），就有可能再转化为液态物质。

  就现今地球的状态来说，在组成地内物质的熔点、温度和压力的共同作用下，地球表现为固态岩石圈、具有一定液态性质的软流圈、固态的下地幔、液态的外核和固态的内核的不同圈层结构。

1.4  宇宙大气的形成及演化。

  和太阳、木星等太阳系大星体一样，在地球形成的早期，也即地球的吸积形成期，随着大量的宇宙物质通过吸积形成地球胚或早期地球时，除带来大量的硅酸盐物质及铁、镍等金属物质外，也肯定带来了大量的氢、氦等宇宙气体物质(Rezanov, 1995)。由于太阳、木星等太阳系大星体都含有大量的氢等宇宙大气物质，所以，可以想象，在地球胚或地球形成的早期，地球胚或早期地球的周围，也肯定具有稠密的宇宙大气物质。这时的大气层，可以称为宇宙大气层。它主要由氢及氦等惰性气体组成(Rezanov, 1995)。

  后来，随着太阳的升温(Canuto et al, 1983)，太阳风的加强，这些轻气体物质，受太阳风的作用，慢慢散失掉了(Rezanov, 1995; Bogard, 1988)。

  但是，在40亿年前，地球处于熔融状态时，或在地球通过碰撞吸积作用形成时，2.5×1025g氢等宇宙大气包裹地球，地球大气压相当大(Rezanov, 1995)。大量的宇宙气体，充斥于宇宙物质的间隙或溶解入熔融态地球物质而被埋入地球的内部 (Chris et al, 2005)，这可能就是地内气体具有强还原性的根本原因。这种强还原性主要以氢的形式体现。当地球表面处于熔融状态时，氢等宇宙大气在液体岩浆里的量，主要受当时氢等宇宙大气的浓度（大气压）和这些气体在熔融地球里的溶解度的共同作用。若氢等在液体岩浆里的溶解度越大，宇宙大气的大气压越大，则溶解在液体岩浆里的宇宙大气越多，反之则越小。若不考虑宇宙大气在构成地球的各圈层物质里的溶解度不同的话，宇宙大气的溶解，从地表至地心，也应呈一定的密度梯度。地表溶解的浓度最大，地心的溶解度最小。若地球只是部分地熔融，除少量在地球胚或早期地球形成时就贮存在地球内部间隙的宇宙大气外，地球中保存的宇宙大气，主要应是溶解于熔融的地球中宇宙大气。当然，在地球胚的逐渐形成过程中，只要有熔融体和宇宙大气共同存在，在一定的宇宙大气的大气压和熔融岩浆的宇宙大气溶解度共同作用下，就应有宇宙大气的溶解过程。

  以上我们分析了地球的吸积、熔融及宇宙大气的演化过程。下面，我们详细讨论地球的去气作用。那么，经吸积后而熔融的地球，在固态岩石圈形成前具有怎么样的去气作用？且听下回分解。

未完，待续。

下回预告：地球科学原理之23  岩石圈形成前的去气作用

参考文献：

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（注：本“地球科学原理”系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途）

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能不能合并到一起？