地球化学与地球物理

2015-09-06

    地球形成和演化的轮廓可以基本上解释前述的天文以及地球物理观测事实。又由于太阳系不是一个封闭的系统,发生过大量的物质及角动量的流失,以前的角动量分布问题,已无重要的意义。但进一步分析也发现有些情况还需澄清,有些关键性的论据还有分歧的意见。以下简述几个仍在引人注意的问题。

1、地球的化学组成

地球岩石的化学成分和球粒陨石很相近,但也有显著的差别,特别是地球上层的硫和钾极为匮乏。为了解释这个现象,林伍德(A.E.Ringwood,1966)采用第一类碳质球粒陨石作为内行星成分的模式,并假定地核是FeO在高温下还原而形成的。这样,钾、硫及一些易挥发的物质就在这个过程中丢失了。但这个模式将产生极大量的大气,无法处理掉。它也不能解释水星的密度(平均5.42克/厘米3)和火星的高氧化状态。地球上保留着H2O、N2、CO2,但挥发掉大量的碱金属的事实也是不易解释的。还有一些其他的假说,例如利用不同类型陨石混合物,或不同假设条件下,行星物质的凝结物等作为行星积聚时的初始成分,也都带有任意性,没有足够的说服力。

来测试技术有了很大的进展。对太阳光球、普通球粒陨石、质球粒陨石的重复测试结果,以及对全太阳系的元素丰度的估计,都表明它们的钾和硅的原子数比值(K/Si)变化范围不大,约在百万分之三千二百到四千二百之间。如果地球的K/Si比值和太阳相近,则地球的含钾量约为百万分之六百五十至九百(质量),其中约有80~90%可能存在于地幔下部及地核中。值得注意的是:刘易斯(J.S.Lewis,1973)采用平衡-均匀的积聚模式作过仔细计算,得到的结果是:地球可能有一个Fe和FeS的核,并且它的K/Si比值和太阳的很相近。这表明地球的钾和硫其实并不匮乏。地球物理的观测表明地核中除铁、镍外,还须含有10~20%的轻元素。钾原是亲硫的元素,所以钾和硫都存在于地核是可能的。同时,地核含钾也有利于解释地磁场起源于地核的能源问题(见地球内部的化学成分和矿物组成)。

2、地球积聚的模式

积聚的模式有均匀和不均匀两类。均匀模式认为地球是由硅酸盐、金属和金属氧化物固体颗粒的均匀混合物积聚而成的。这个混合物是经过复杂的物理和化学过程在积聚时或积聚之前就已经形成了。不均匀模式则认为积聚过程是按照星云中物质凝固先后顺序进行的,先凝固的先积聚。因此在地球生长过程中所积聚的物质是有变化的。经典的均匀积聚模式假定积聚的物质成分和球粒陨石很相近,积聚持续时间很长,约为 107~108年。这就使得引力位能由新形成的地面辐射掉许多,而短寿命的放射性元素的影响也已微弱。初始地球的平均温度估计不超过1000℃,全部地球最初处于固态。这个模式虽可基本上解释许多地球物理观测事实,但遇到一些地球化学上的困难。按照这样缓慢的过程,地球内部是应处于化学平衡的;但地幔中有些金属的相对丰度似乎又比化学平衡时所应具有的丰度高得多。有些作者企图对以上均匀模式做些修正,但迄今仍存在分歧。

不均匀积聚模式要求初始温度高,太阳星云的质量大,积聚过程的时间短(只需103~104年)。行星基本上应有化学分层的趋势,愈先凝固的物质应处于地球愈深的地方,浅处的物质应比较易于挥发。但实际地球的情况并非如此。不均匀模式所遇到的困难比较多,而且是严重的。

3、行星积聚的时间

行星积聚所需的时间影响行星的成分、构造和内部能源,是一个重要的数据。但各家的估计相差甚远,由103年到108年。瑞典天文学家H.阿尔文等人认为星子运行时可以形成一种激流,从而产生积聚。由这个前提出发,他计算出的积聚时间仍为108年。但对于这种激流的存在和它的机制,许多学者都持保留态度。萨夫龙诺夫研究了由尘埃物质积聚成行星的全过程。他得到:由星子积聚成地球约需108年。他的工作是迄今最详尽、最严谨的,但他的方法若用于天王星、海王星和火星时,所得结果却不能令人满意。其他一些著名学者如H.C.尤里、伯奇(F.Birch)和埃尔萨塞(W.M.Elsasser)等,也都倾向于长的时间尺度,即约108年。不均匀积聚模式的支持者,大都倾向于短时间尺度,即 103~105年。显然,行星积聚过程的物理机制和条件还研究得很不够,有待进一步探索。

4、太阳星云的质量

这是一个重要的数据。有许多人对它做过估计。最简单的方法是将现有行星和太阳的总质量补上它们丢失的质量,这样得到的结果只是一个极粗略的下限。其他的估计方法也很粗略,但结果很不一致。总之,多数学者倾向于太阳星云的质量约等于太阳的质量加上它的百分之几。例如霍伊尔(F.Hoyle)取Mn=(1+0.01)M⊙,M⊙是太阳的质量,Mn是星云的质量。萨夫龙诺夫取Mn=(1+0.05~0.1)M⊙,沙兹曼(E.Schatzman)取 Mn=(1+0.1)M⊙,但卡梅伦(A.G.W.Cameron)和列文(Б.Ю.Левин)则取Mn=(1+2)M⊙。取大质量时,如何将多余的质量在行星形成过程中去掉是一个困难。可以证明,若取小质量,则星云演化为星云盘时,温度是不高的(低于0℃);若取为太阳质量的3倍,则在内行星的区域,温度将高达1000~2000℃。

     地球物理学的基本课题之一,它探讨 地球的形成,即在什么时候,由什么物质,以 什么方式,经历什么过程才形成的。地球是太阳系的一员,它的起源和 太阳系的起源基本是一个问题。不过 由于人类定居在地球上,对它的了解 比对其他星体的了解要详细得多,因此 研究地球起源问题,资料也最丰富。研究地球的起源不仅由于它的哲学意义,也由于 地学中许多重要现象的根本原因都要到地球的形成过程中去寻求答案。

(来自百度百科)


上一篇:年代与生命
下一篇:地质年代
本网站由阿里云提供云计算及安全服务
XML 地图 | Sitemap 地图