Question

地球及其内部圈层的形成

Answer 1

根据现代星云假说，人们推测地球形成于原始太阳分离出的一团圆盘状的冷星云条带里。在形成地球的冷星云条带中，由于万有引力的作用使物质微粒互相吸引，形成小的团块，也叫做星子。星子再互相吸引，大的吸积小的，像滚雪球一样，不断碰撞、不断吸积增大，并且增长速度也逐渐加快。这种陨石大量撞击，并使地球质量和体积迅速增大的吸积作用，大约在距今46亿年前后基本上已接近尾声，原始地球开始形成，已拥有了与现今地球相近的质量。但这个原始的地球可能是一个比现今地球大得多的尘埃和团块的集合体。随后，原始地球内的“星子”受引力的作用向中心聚集，体积逐渐缩小，物质的密度越来越大。在此过程中，地球内部的温度也迅速增高。于是，在重力作用与高温的影响下，固体地球内部的物质发生部分熔融，致使重者下沉、轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，逐渐形成了从里向外，物质密度从大到小的内部圈层结构。同时，地球的体积也基本与现今接近了。

由上所述，目前一般认为原始地球是均质的固体，主要由硅、氧、铁、镁等的化合物组成。组成地球的原始物质开始是冷的，由于下列原因使地球在早期迅速变热（图11-9）。

图11-9 地球早期增热的三种机制

（据F.Press et al.，1982）

a—增积作用；b—重力收缩；c—放射性元素衰变

（1）小星体碰撞转换来的热能

这种热源可能是地球形成初期的主要形式，小天体的冲击、尘埃碎块的碰撞将大量的动能转换为热能。虽然一部分要散失到宇宙空间去，但仍有一部分保存下来使地球增温。

（2）重力压缩导致温度升高

随着地球体积的缩小，内部压力不断增高，重力压缩的结果使地球温度升高。由于岩石的导热性差，大部分热能积累起来。地球在吸积阶段及形成初期（包括地核形成过程）释放出的重力热能是相对可观的，但随着地球早期重力分异作用的发生和基本完成，这种热能的增加迅速衰减，并逐渐达到稳定状态。

（3）放射性元素蜕变生热

地球内部的U，Th，K等放射性元素蜕变时放出的热量，造成地球升温。这种热能的积累远大于散热，所以它在地球内部热演化中起重要作用。由于不同放射性元素蜕变的半衰期差别极大，许多半衰期较短的放射性元素在地球演化的早期阶段就基本上消耗殆尽。据推算，46亿年前地球的放射性热产量至少是现今热产量的7倍。

上述这三种热源及变化趋势造成了地球在形成初期的温度迅速升高。在地球吸积过程晚期及其后的较短时间内，地球内部的温度已上升达到铁的熔点。由于铁和镍的熔点较硅酸盐低，这时达到熔点的铁、镍首先熔化，形成熔融的金属熔滴或金属层；同时硅酸盐开始软化和局部熔融，为重力分异作用创造了有利条件；于是比重大的铁、镍形成大的熔滴向地心下沉。降落过程中将释放出来的重力能转变为热能，使地球出现更强的局部熔融状态，加速这种重力分异过程。这样，大量的铁、镍物质向地心集结成为地核；与此同时，硅铝、硅镁等较轻物质上浮，冷却而成为原始地壳；二者之间的铁镁硅酸盐组成地幔。

直到20世纪末已知获得的最古老的地壳岩石形成于42 亿年前。2001年地球化学家Wilde等对来自澳大利亚西部Narryer片麻岩区锆石晶粒进行的U-Pb法测年获得了44亿年的年龄数据；并通过氧同位素研究揭示出锆石曾经历过潮湿、低温环境。这一研究结果可能使地壳与海洋出现的历史大大提前，也暗示了早期地球的冷却速度可能比原来估计的要快。近年来地球化学研究的证据表明，地核的开始形成不会晚于地球吸积过程后的5000万年，甚至可能在吸积过程的晚期阶段就已初具规模。据一些学者推算，在43亿年前地核已经形成了3/4；地幔的整体也基本冷却成为固态，而地幔内部的局部熔融、热对流仍十分强烈；大气圈、水圈也在44亿年前基本形成（C.J.阿莱格尔，1989；万天丰，2004）。