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地球的起源是什么?地球是较重元素所组成的星子吸积增生而成的

2024-03-25科学

现在学术界基本上认为,早期的地球是从太阳系星云中的较重元素所组成的星子吸积、增生而成的。地球表面岩石用Rb-Sr法测得其同位素年龄都是45.52亿年。近年来,利用锇铼同位素法测定,它们的形成年龄约为46.1亿年。许多学者因此推断,原始地球可能是以球粒陨石成分为主的星子聚集而成的,因为球粒陨石的硅酸盐与铁质成分的比例为2:1,与地球几乎一样。这就是原始地球吸积假说的主要论点。

图1,地球

一、陨石撞击理论

根据月球的演化资料判断,这种陨石的大量撞击使地球的质量与体积不断增大的吸积作用,大约仅仅持续了5000万年,以后陨击作用便按指数方程的曲线特征快速地衰减。在最近40亿年以来,星云阶段早已结束,陨石撞击地球的数量显著减少。

图2,陨石

由陨石撞击所造成的地球质量的增大,总共只增加了1025g,即大约增加了地球总质量的1/600(地球现在的总质量为5.976×1027g)。这就是说,近40亿年来,大规模的吸积作用早就已经结束,地球的质量和体积都没有发生过大幅度的变化,固体地球已经定型。

图3,陨石坑

二、星子吸积理论

近年来的研究发现,这种星子吸积作用很可能并不是均匀的过程,而是不均匀吸积作用的结果。欧阳自远等科学家在继承前人成果的基础上,提出地球的增生主要经历了两个阶段,即非均匀吸积—多阶段堆积模型。

图4,地球内部结构

三、巨星子堆积成原始地球

第一阶段由巨星子(直径大于3 000 km)堆积成原始地球,形成相当于现今地球质量的70%~90%大小。巨星子是由金属铁组成的M群星子和类似于月球组成的L群星子构成。在吸积、增生的同时,地球物质在万有引力作用下向中心聚集,体积缩小,压力增大,放出热量,使地球内部物质(相对均匀的富含镁铁质的硅酸盐)发生广泛或全部熔融,从而导致物质按照比重的不同沿着地球半径方向发生分异和迁移。

图5,地球内部

约占地球内部物质总质量1/3的铁,由于其比重较大,较多地聚集到地球的中心部位,遂形成以铁镍为主的地核。其余的硅酸盐,就形成原始的地壳和地幔。密度较大的富镁铁硅酸盐则相对下沉,并逐渐冷凝成为固体,构成下地幔;密度稍小、与月球表层岩石成分相近的硅酸盐(富含稀土元素、钾、磷、铀和钍)则浮到上部富集,形成原始的地壳——相当于现今的中地幔过渡层(现位于地面下400~670 km)。

图6,地壳

原始地球的壳、幔、核都经历了分异熔融作用和圈层化的过程。原始地球基本形成的年龄约为44亿年前,以后则一直比较稳定,主要部分为固体状态,并大致保持其重力均衡和圈层结构的特征。

图7火山喷发

四、较小的晚期星子堆积地球外层

第二阶段由较小的晚期星子(平均直径约400 km)堆积到地球外层——镶饰层。晚期镶嵌堆积的星子主要是C群星子(碳质球粒陨石),也可能有一定数量的L群星子(低铁球粒陨石)。它们堆积在冷却中的原始地球表面上之后,也产生了分异作用,但显然没有发生过全部熔融,仅有部分熔融。

图8,火山口

这是根据现今全球上地幔和地壳横向成分很不均匀的特征来推断的。上地幔补给层以部分熔融的方式溢出地表,形成了以拉斑玄武岩为主要成分的地壳,即形成了与现代的洋壳成分相接近的原始地壳。

图9,火山岩浆

五、均匀吸积模型

以晚期星子堆积为基础的上地幔-地壳分异系统,自44亿年以来一直在起作用。不过,阿莱格尔则一直坚持 「均匀吸积模型」 ,不认为星子或陨石的聚集有什么阶段性,认为地球的圈层化完全是重力分异作用的产物。但是,均匀吸积模型无法解释各大陆块及上地幔的横向不均一性问题。

图10,岩浆岩标本

众所周知,太阳是由70%左右的氢、27%左右氦以及3%左右的其他100多种元素所组成的。显然它是以最轻的元素为主,与太阳系原始星云的成分比较接近。地球的物质组成是根据最常见的陨石-球粒陨石成分的类比、地球深部地震波传播特征以及高温高压试验的成果来推算的。

图11,花岗岩

地球的化学成分估算已经得到公认,都认为地球与球粒陨石(它们绝大部分来自小行星带,也即一颗类地行星的「半成品」)的化学成分基本相同。

图12,地球表面

地球与其他类地行星(水星、金星、火星)相似,而与太阳的成分相差甚远,即是由34.6%的铁、29.5%的氧、15.2%的硅、12.7%的镁、2.4%的镍、2.2%的钙和铝、1.9%的硫,以及1.5%的其他100多种元素所组成的,重元素明显地比太阳多得多。

图13,火星表面

综上所述: 早期的地球是45亿年前从太阳系星云中的较重元素所组成的星子非均匀吸积、增生而成的。陨击作用造成地表岩石撞碎,诱发地幔的超临界流体或岩浆上涌,造成剧烈的火山爆发,并使地幔上部硅酸盐中的气体挥发分在固体地球表面聚集,逐渐演化成水圈、大气圈。