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地球的起源是什麽?地球是較重元素所組成的星子吸積增生而成的

2024-03-25科學

現在學術界基本上認為,早期的地球是從太陽系星雲中的較重元素所組成的星子吸積、增生而成的。地球表面巖石用Rb-Sr法測得其同位素年齡都是45.52億年。近年來,利用鋨錸同位素法測定,它們的形成年齡約為46.1億年。許多學者因此推斷,原始地球可能是以球粒隕石成分為主的星子聚集而成的,因為球粒隕石的矽酸鹽與鐵質成分的比例為2:1,與地球幾乎一樣。這就是原始地球吸積假說的主要論點。

圖1,地球

一、隕石撞擊理論

根據月球的演化資料判斷,這種隕石的大量撞擊使地球的質素與體積不斷增大的吸積作用,大約僅僅持續了5000萬年,以後隕擊作用便按指數方程式的曲線特征快速地衰減。在最近40億年以來,星雲階段早已結束,隕石撞擊地球的數量顯著減少。

圖2,隕石

由隕石撞擊所造成的地球質素的增大,總共只增加了1025g,即大約增加了地球總質素的1/600(地球現在的總質素為5.976×1027g)。這就是說,近40億年來,大規模的吸積作用早就已經結束,地球的質素和體積都沒有發生過大振幅的變化,固體地球已經定型。

圖3,隕石坑

二、星子吸積理論

近年來的研究發現,這種星子吸積作用很可能並不是均勻的過程,而是不均勻吸積作用的結果。歐陽自遠等科學家在繼承前人成果的基礎上,提出地球的增生主要經歷了兩個階段,即非均勻吸積—多階段堆積模型。

圖4,地球內部結構

三、巨星子堆積成原始地球

第一階段由巨星子(直徑大於3 000 km)堆積成原始地球,形成相當於現今地球質素的70%~90%大小。巨星子是由金屬鐵組成的M群星子和類似於月球組成的L群星子構成。在吸積、增生的同時,地球物質在萬有重力作用下向中心聚集,體積縮小,壓力增大,放出熱量,使地球內部物質(相對均勻的富含鎂鐵質的矽酸鹽)發生廣泛或全部熔融,從而導致物質按照比重的不同沿著地球半徑方向發生分異和遷移。

圖5,地球內部

約占地球內部物質總質素1/3的鐵,由於其比重較大,較多地聚集到地球的中心部位,遂形成以鐵鎳為主的地核。其余的矽酸鹽,就形成原始的地殼和地幔。密度較大的富鎂鐵矽酸鹽則相對下沈,並逐漸冷凝成為固體,構成下地幔;密度稍小、與月球表層巖石成分相近的矽酸鹽(富含稀土元素、鉀、磷、鈾和釷)則浮到上部富集,形成原始的地殼——相當於現今的中地幔過渡層(現位於地面下400~670 km)。

圖6,地殼

原始地球的殼、幔、核都經歷了分異熔融作用和圈層化的過程。原始地球基本形成的年齡約為44億年前,以後則一直比較穩定,主要部份為固體狀態,並大致保持其重力均衡和圈層結構的特征。

圖7火山噴發

四、較小的晚期星子堆積地球外層

第二階段由較小的晚期星子(平均直徑約400 km)堆積到地球外層——鑲飾層。晚期鑲嵌堆積的星子主要是C群星子(碳質球粒隕石),也可能有一定數量的L群星子(低鐵球粒隕石)。它們堆積在冷卻中的原始地球表面上之後,也產生了分異作用,但顯然沒有發生過全部熔融,僅有部份熔融。

圖8,火山口

這是根據現今全球上地幔和地殼橫向成分很不均勻的特征來推斷的。上地幔補給層以部份熔融的方式溢位地表,形成了以拉斑玄武巖為主要成分的地殼,即形成了與現代的洋殼成分相接近的原始地殼。

圖9,火山巖漿

五、均勻吸積模型

以晚期星子堆積為基礎的上地幔-地殼分異系統,自44億年以來一直在起作用。不過,阿萊格爾則一直堅持 「均勻吸積模型」 ,不認為星子或隕石的聚集有什麽階段性,認為地球的圈層化完全是重力分異作用的產物。但是,均勻吸積模型無法解釋各大陸塊及上地幔的橫向不均一性問題。

圖10,巖漿巖標本

眾所周知,太陽是由70%左右的氫、27%左右氦以及3%左右的其他100多種元素所組成的。顯然它是以最輕的元素為主,與太陽系原始星雲的成分比較接近。地球的物質組成是根據最常見的隕石-球粒隕石成分的類比、地球深部地震波傳播特征以及高溫高壓試驗的成果來推算的。

圖11,花崗巖

地球的化學成分估算已經得到公認,都認為地球與球粒隕石(它們絕大部份來自小行星帶,也即一顆類地行星的「半成品」)的化學成分基本相同。

圖12,地球表面

地球與其他類地行星(水星、金星、火星)相似,而與太陽的成分相差甚遠,即是由34.6%的鐵、29.5%的氧、15.2%的矽、12.7%的鎂、2.4%的鎳、2.2%的鈣和鋁、1.9%的硫,以及1.5%的其他100多種元素所組成的,重元素明顯地比太陽多得多。

圖13,火星表面

綜上所述: 早期的地球是45億年前從太陽系星雲中的較重元素所組成的星子非均勻吸積、增生而成的。隕擊作用造成地表巖石撞碎,誘發地幔的超臨界流體或巖漿上湧,造成劇烈的火山爆發,並使地幔上部矽酸鹽中的氣體揮發分在固體地球表面聚集,逐漸演化成水圈、大氣圈。