地球物理概论

《地球物理概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地球物理概论（195页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第一编 地球的整体物理特征 这是本书的第一个层次，包括第一章至第四章，介绍地球的整体特征，即从地球起源、地球年龄、地球自转和地球形状四个方面，给读者一个有关地球整体的完整的时空概念。 第一章 地球的起源及其研究方法1 第一节 历史回顾和主要进展 地球起源问题，不仅是地球科学，而且是自然科学中一个基本理论问题。由于地球的长期演化，地球形成初期的痕迹现在已经看不到了。那么，怎么去重建几十亿年前的地球初期及其形成过程呢？人们只能从地球物理学、天文学、地球化学、地质学以及其他各个学科的有限观测中，运用已知的自然科学规律进行探索和研究。显然，问题的难度是很大的，而且看法并不统一。本章首先对各种地球起源学

2、说及其发展予以简略介绍，然后以我国戴文赛教授的新星云说为例，说明解决这一问题的思路和处理方法，最后作为地球起源的继续，补充一点有关演化的知识。第一节 历史回顾和主要进展一、历史回顾2因为地球是太阳系的成员之一，所以地球的起源和太阳系的起源基本上是一个问题。地球及太阳系起源问题的讨论，可以追溯到17世纪。1644年，法国哲学家和数学家笛卡尔（R.Descartes）在哲学原理中提出涡流学说。他认为，在宇宙的混沌中，物质微粒获得涡流运动，在旋涡流中形成了太阳、地球、行星和卫星。1745年，法国动物学家布峰（G.L.Buffon）提出第一个激变说。他认为，曾有一颗彗星撞到太阳上，撞出的一部分物质形成

3、了行星。以上笛卡尔和布峰的假说虽没有什么科学价值，但却给宗教势力很大震动，为自然科学从神学的桎梏下解放出来冲出一条生路，在地球起源问题上，也起到启蒙作用。第一个科学的太阳系起源假说是康德的星云说。1755年，康德31岁时匿名出版自然通史和天体论根据牛顿定律试论整个宇宙的结构及其力学起源（1972年中译本为宇宙发展史概论）一书，提出太阳系是由一个统一的系统渐渐地演化而成的，该书在当时并没能引起注意。1796年，法国赫赫有名的数学家和力学家拉普拉斯在宇宙体系论一书中，提出另一个星云说。由于拉普拉斯在学术上的声望，该书广为流传，人们这才想起41年前康德的书，重又再版。虽然康德和拉普拉斯两个星云说有许

4、多不同点，但他们的主要观点相似，即都认为整个太阳系是由同一个原始星云渐渐演化而成。在此后半个多世纪里，人们普遍赞同星云说。但是，星云说在当时不能解释如角动量特殊分布的观测事实。在这种情况下，又出现一系列新的假说。由于星云说属于渐变说，那么，这种新的假说被称为激变说。在19世纪到20世纪40年代，是各种激变说盛行时期。著名的激变说有：1878年，新西兰天文学家毕克顿（A.W Bickerton）认为，两颗恒星碰撞产生类似新星的爆炸，抛出的物质形成行星；英国的靳斯（J.K.Jeans）提出风靡一时的“潮汐说”，他认为有一颗恒星从太阳近旁一掠而过，使太阳涨出了隆起的潮，分离出物质形成行星；杰弗瑞斯的

5、“碰撞说”，更认为是另一颗恒星擦边碰了太阳，才形成行星；罗素（H.Russell）、里特顿（R.A.Lyttleton）和干恩（R.Gurne）的“双星说”，认为太阳原来是双星，因受第三颗恒星作用而抛出物质，形成行星；匈牙利的艾估艾得（L.Egyed）提出“分出说”，认为万有引力常数随时间减少，使得太阳将分几次抛出物质。虽然这些激变说阐述的激变方式不同，但是都承认形成地球等行星的物质是从太阳分离出来的。然而，从太阳分出的炽热物质容易扩散，不会聚成行星。因此，这些激变说又从根本上遇到了困难。任何假说都是为解释观测事实而提出的。当经典的渐变说和激变说相继碰壁之后，人们才意识到，建立起源假说的观测事

6、实仅仅靠太阳系的天文学观测现象是不够的，还应对我们人类定居的地球以及卫星的物理性质和化学性质，认真给予应有重视。实际上，在地球和月球上存在着极重要的建立地球起源学说的线索。地球化学研究工作表明，在地球里存在着大量的碳、氮、氧三种元素，在高温下容易挥发的硫、汞、砷、镉、锌并不富集在地球表面，而地面的岩石成分和性质也都表明地球从未完全熔化过。因此，从化学观点看，地球更可能由低温的固体积聚而成，而不是由高温气体和熔融液体凝固而成。在月球表面有比地球上最高峰珠峰还要高的山，要长时间承担这样的大的压力，内部岩石的强度必须很大。这个现象也表明，月球和地球一样，也有一个低温的起源。因此，经典的高温起源观点值

7、得怀疑。从20世纪40年代起，许多人都从高温气体凝固观点转入低温固体积聚观点。这里著名的有：1944年，苏联地球物理学家施密特（. . ）提出“俘获说”，认为当太阳通过一个暗星云时，俘获了它的部分物质，形成绕太阳转动的星云盘，在盘中的质点频繁碰撞，结合成较大的凝结物流星体（陨星），陨星碰撞结合成行星和卫星；同一年，德国的物理学家魏扎克（C.E.Von Weizsacker）提出“旋涡说”，认为太阳形成后，被一个气体尘埃云环绕着，因转动云环变扁，盘中出现湍流，形成旋涡的规则排列，并且在相邻两环之间的次级涡流里形成行星。在上述的“俘获说”或“旋涡说”中，行星的物质来源不再是太阳分出来的高温气态物质

8、，而是尘埃云。在地球起源学说的研究中，最困难的问题依然是角动量问题。角动量是转动的一种量度，它大致等于质量、速度和轨道半径的乘积。在太阳系里，太阳的质量约为行星总质量的750倍，占全系统的99%以上，但它的角动量却只有全系统的2%，因为行星的质量虽小，但角动量却很大。以单位质量所具有的角动量而言，这种分布是极不平均的。通过一种什么作用，才能导致这样一个转动系统？如果行星和太阳是同一来源，就必须找出一个使角动量重新分布的物理过程。最明显的能使角动量转移的物理过程，就是磁场对于带电粒子的作用。从1942年以来，瑞典磁流体学家阿尔芬特别注意太阳系起源的电磁作用，提出了“电磁说”，他提出用磁耦合机制说

9、明角动量的特殊分布。1962年，法国天文学家沙兹曼（E.Schatzman）提出太阳演化早期抛射带电粒子，并在太阳磁场作用下运动的学说。1962年，霍伊尔（F.Hoyle）从经典的星云假说出发，考虑星际空间的磁场作用，定量地计算了太阳和行星的角动量，从而有效地解释了太阳系特殊的角动量问题。霍伊尔的假说其要点是3：假定太阳系开始是一团凝缩的低温星云，转动速度因急剧收缩而加快。当这团星云的半径收缩到一定程度时，由于流动力学作用，它的转动就达到失稳状态，两极渐扁，赤道凸起，并发展成一个尖税的边缘。星云物质从此边缘向外抛出，形成一个圆盘（圆盘质量只有太阳的1%）。中心体与圆盘脱离后，前者继续收缩，形成

10、太阳；后者质量不再增加，聚成行星。当它们脱离时，由于星际空间存在磁场，太阳与圆盘的内缘就发生一种电磁流体力学的作用而产生一种磁致力矩。通过这个力矩，太阳对圆盘作功，从而将太阳的角动量转移到圆盘上。圆盘因角动量增加而向外扩张，但太阳因为继续收缩和角动量减小，可以使它的角速度变化不大。这样就解决了太阳转得慢的问题。为了保证上述过程的进行，太阳与圆盘分离时的磁场强度只需0.3T，但要求圆盘内缘有千万分之一的原子处于电离状态。当圆盘冷却时，不易挥发的物质先凝成固体。这些固体被气体带动，在圆盘扩展过程中，直径小的固体被气体推向前去，而直径大的固体被抛在后面，它们以后各自形成内行星和外行星。这就是霍氏假说

11、的概貌。问题似乎完全解决了。其实不然，正如傅承义教授所说，霍伊尔的假说“只是在大体轮廓上为人们所接受，还远远不是确定的。”4傅承义的这段评价，不仅适用于霍伊尔假说，笔者认为，它也适用于对地球起源问题研究现状的评价。为了使这一问题的“轮廓”逐渐变得明朗，为了使这一问题的某些“不确定”因素逐步得以解决，地球物理学应该与地球化学、天文学等学科更进一步结合起来。二、主要进展从上面的历史回顾中不难看出，地球起源问题的研究总是在两种对立观点的交锋中得到发展的。例如，形成过程是渐变还是激变，物质来源是高温气体还是低温固体，作用力完全是机械力（重力和热力）还是兼有电磁力等等。这些对立观点的发展和解决，主要靠新

12、的观测事实（如月球探测）和新的物理定律（如磁流体力学）的推动。星际航行以来，天体物理学家发展迅速，地球和太阳系起源的有关资料大量增加。地球和太阳系起源问题的研究，从一般的定性假说向定量分析发展，从探讨个别问题进入到对大量资料作全面、系统的综合研究的新时期。目前虽然没有出现一个统一的地球起源学说，但在以下几个方面取得了一致意见：(1) 稳定性问题。地球起源假说首先要解释的观测事实是行星的轨道分布。由天体力学得知，大行星轨道20亿年以来一直没有很大变化；相反，小天体（小行星、彗星、流星体）轨道则变化显著。(2) 年龄问题。由恒星起源和演化得出，太阳是约50亿年前由星际云瓦解出来的一块原始星云塌缩形

13、成的。由太阳系的同位素丰度得出，这些元素在50亿58亿年前形成。从地球和月球的古老岩石的放射性分析得出，它们约在46亿年前形成（见本书第二章）。因此，太阳系应在距今46亿50亿年前形成。(3) 地质变化问题。大行星发生过像地球史所显示的那样的地质变化，因此行星的现状与它形成时不同；另一方面，小天体形成以来变化小，它们较多地保留了形成时的信息，因此近年来特别注意小天体的研究，其中陨石研究表明，它形成时的温度为400500K，形成时间为106107年。(4) 化学组成问题。碳质陨石的重元素相对丰度与太阳大气相同，木星的化学组成与太阳相同，这些都支持同源形成说（及渐变观点），而不利于多源形成说（及激

14、变观点）。当然，有些陨石存在同位素异常，表明原始星云中可能有小于2%的外来组成。各行星的组成，最初是均一的，由于化学分馏，才导致各行星组成的差异。(5) 陨石坑问题。月球、水星和火星上的大多数凹坑，是39亿年前陨石撞击形成的（在木星和土星的卫星上也有许多撞击坑），这些都支持星子集聚成行星的观点。(6) 形成的物理过程问题。角动量分布问题已表明，仅靠动力学过程的研究是不够的，还要考虑原子的、电磁的、等离子体的和化学的过程。沙兹曼电磁机制只是其中的一种可能解释。关于地球和太阳系起源的假说，虽然“诸子百家”，众说纷云，认为地球有不同的物质来源以及不同的形成方式，但是这些假说在上述六个方面基本是一致的

15、。近年来比较流行的星云假说其主要观点是：原始太阳星云来自大星际云瓦解的一块小云。它的温度不高，有一定的初始角动量和自转，在自吸引作用下收缩，中心部分形成太阳，外部扁化为星云盘。星云盘中含有气本、尘埃和冰的固体颗粒，主要由这些固态物质集聚成行星和卫星。但是，关于原始星云的具体物理化学情况及行星的形成过程，各学说有不同的看法，明显地分为两大学派。一派以美国卡米隆（Cameron）为代表，认为原始星云有吸积和散失过程，形成大质量的星云盘（共约两个太阳现质量），星云盘不稳定而瓦解为巨大气体原行星。原地球的凝降物向中心沉降形成核，外部气体被太阳潮汐撕掉，留下内部凝聚核成为地球。另一派认为原始星云质量较小

16、（小于1.3倍现太阳质量），主要有日本的林忠四郎（Hayaohi）、前苏联的萨弗隆诺夫（Ca）、澳大利亚的普伦蒂斯（Prontice）和我国的戴文赛等提出假说。第二节 戴文赛的新星云假说戴文赛先生（19111979），天文学家，福建人，生前任南京大学天文系教授、主任。天体演化是他的研究方向，特别着重于太阳系起源问题。他在分析和评价国外和多种假说的基础上，提出自己的太阳系起源（其中包括地球起源）假说。该假说继承和发展了康德和拉普拉斯的星云说，较全面、较系统和有内在联系地论述了太阳系各种特征的由来，其中对波特定则的说明，对木星、土星、天王星的卫星和环带的说明以及角动量问题，都提出不同于前人的解释。

17、本节就戴先生学说中有关行星（地球）起源的部分加以介绍。戴先生认为：行星的形成要经过“原始星云星云盘尘层星子行星”这样几个主要步骤5。 一、原始星云的形成原始星云是由一块星际云塌缩并瓦解而成的。首先要考虑星际云的塌缩，这里要用到研究物质团收缩和膨胀的一个重要物理定理维里定理。维里定理所要分析的是，使其膨胀的能量（如分子热运动热能）和使其收缩的能量（如引力位势）和使其收缩的能量（如引力位势）是否平衡。如果把弥漫物质球团当成理想气体，则可使用流体静力平衡方程：式中，p、r分别为压力和密度；Mr为距离中心r范围以内的物质质量；G为万有引力常数。上式两边各乘以4pr3，并从0到R（球团半径）积分，得上式

18、左边进行分部积分，利用r=R时p=0的条件（外边界稀薄），并考虑气体压力p=（KrT）/mmH（式中，K为玻尔兹曼常数；T为温度；m为平均分子量，mH为氢原子质量）可变成反映热能（即内能）的式子。而上式右边可直接变成反映引力势能的式子。最后写成2U+W =0 (1-1)式中式（1-1）第一项为两倍热能，第二项为引力势能。两项之和为零，表示总能量为零，该物质球团处于既不膨胀不收缩的平衡状态。根据U、W的物理意义，不难得出：当膨胀时 2U+W0 (1-2)当收缩时 2U+W0 (1-3)对于一个天体系统，同样要考虑维里定理。根据维里定理，当忽略自转、磁场及湍流，只考虑引力势能和热能时，星际云聚集的

19、条件如式（1-3）所示，即2U+W0若星际是以半径为R、质量为M、温度为T、主要成分为氢的球体，则式中 (1-4) (1-5)并令r=3M/（4pR3），将式中R由M和r代替。取r=10-22g/cm3，T=50K，m =2.4，并取M0=1.991033g（太阳现质量），则可得同如下的星际云自吸引塌缩条件：M2.44103M0 (1-6)该式表明，当星际云质量比太阳现质量大三个数量级时，它才会塌缩。当星际云塌缩到密度为10-15g/cm3时，内部会发生不稳定情况，即：出现扰动物时，会造成涡流，将星际云瓦解为上千个小云，其中之一则是太阳系前身原始星云。原始星云其质量为bM0，b=11.3。原始

20、星云的角动量约为今日太阳系角动量的158200倍。原始星云在超新星爆发的促进下，氢元素进行大规模合成，形成重元素及其同位素。重元素的大规模合成，距今54亿58亿年。二、星云盘的形成原始星云继续塌缩，半径逐渐减小，因角动量守恒，造成自转速度增大。随着自转速度增大，在赤道面上的外边缘物质，当其惯性离心力与中心部分引力相抗衡时，便停下来，逐渐形成赤道面凸起的类似“铁饼”（中心薄、边缘厚）的星云盘。在星云盘形成的同时，云盘中心的原始太阳亦形成。为了对星云盘的温度、厚度和密度做出估计，需要介绍罗奇密度的概念。首先，让我们看图1-1所示大小球吸引的例子，分析两个小球在大球作用下聚集的条件。图1-1 聚集条

21、件分析示意图 大球作用于靠近它的小球1和远离它的小球2的引力，分别为因为F1F2，若没有其他力的作用，这两个小球就要在共同靠近大球的过程中，彼此分开。但是，两个小球之间还存在引力，大小为这个力使两个小球彼此聚集。显然，使两个小球聚集而不致分开的条件是 (1-7)将F1和F2式中的(a-r)-2和(a+r)-2作泰勒级数展开，并根据ra的条件，忽略r的高次项，从而得到F1-F2=GMm4ra-3将上式和F12的表达式代入式（1-7），经整理后得mr-316Ma-3若小球密度为r，即m=（4/3）pr3r，代入上式，经整理后变成r (3/p) 4Ma-34 (M/a3)令 r0=4 (M/a 3)

22、，则有 rr0=4（M/a3） (1-8)式中，r0称为罗奇密度。式（1-8）是保证式（1-7）成立的条件，称为聚集条件。上述关系是在一个大球和两个小球这种简单情况下导出来的。作为一般情况，除引力外，还存在小球轨道运动的离心力、电磁力等其他作用，这时式（1-8）中的系数不为4，可能还要大些，一般写成h，故此得出 rr0=h（M/a3） (1-9)可以用式（1-8）或式（1-9）分析气体星云在太阳引力下的稳定性问题。当气体星云的密度r达到由太阳质量和距离决定的罗奇密度r0时，太阳的引力与气体星云内物质自身引力相平衡。当超过罗奇密度时，实现了星云自身引力的稳定性，开始行星的聚集过程。众所周知，现太

23、阳质量M0=1.991033g，日地距离a=1.491013cm。若仅考虑引力（取h=4），可计算罗奇密度r0=2.310-3g/cm3。地球密度r=5.5g/cm3r0，故地球在太阳引力作用下，不会被分离，但可产生变形（固体潮，见本书第四章）。星云盘的温度 云盘温度由太阳幅射L、云盘消光t (r) 和云盘热幅射sST4（r）决定，即可能建立能量平衡方程：Le-t（r）=4r2ssT4（r） (1-10)由此可以得到温度分布T（r）=T0（r0/r） (1-11)式中，r0为日地距离；T0为该处温度，T0=544K，由此可以推算出，云盘内界温度为1900K，云盘外界温度为15K。星云盘的厚度

24、在云盘内，离太阳距离为r、离赤道面距离为z处，在云盘自转轴z轴方向上，受到三种力的作用太阳引力、云盘引力和气体压力。当云盘密度比罗奇密度小几倍时，云盘引力可以不计，因此在z方向上处于流体静平衡状态，即dp/dz=-rg式中左端为流体静压力梯度，可由物态方程得到，右端为太阳引力；g为重力加速度。假定云盘厚度远远小于云盘尺度，z r。通过计算可以得出云盘厚度h(r)：将式（1-11）代入上式，得出 (1-12)这里，M0为太阳质量，上式表明h正比于r，故星云盘是一个内薄外厚的形状。在日地距离处，h值约为11111013cm。星云盘的密度 设星云盘内密度分布为r(r，z)=r0（r）exp-z2/h

25、2（r）式中，h（r）就是由式（1-12）所得的厚度。显然，它表示密度r减小到赤道处密度r0的1/e时的高度，通常又称它为“标高”。物质沿z轴方向无限伸展，对其积分可建立面密度s0（r）： (1-13)和特征密度： (1-14)显然，特征密度略小于赤道面度。此外，关于星云盘的化学组成问题，可由星云的厚度、温度、密度等物理条件加以说明。在云盘的不同区域，因条件不同，出现的凝聚成分（土物质、冰物质、气物质）会有不同。三、尘层的形成云盘中尘粒（包括土物质和冰物质）跟气体一起绕太阳转动，同时也做布朗运动，彼此发生碰撞，结合成颗粒（碰撞吸积），并在引力z方向分量作用下，颗粒克服气体阻力，向赤道沉降，逐渐

26、形成尘层。设碰撞吸积的质量生长率dm/dt为式中，r为可吸积物质密度；v为平均相对速度；sc=4pb2为碰撞截面（b为颗粒半径）；S为黏合概率。利用上式可以导出沉降时间的近似公式： tr/t0= (r/r0)9/14 (1/250a) 2/7（3/rg）2/7 (1-15)式中，t0表示地球区域的沉降时间；r0表示地球区域到太阳的距离；tr为距离太阳为r处的沉降时间；a、r均与r有关。由式（1-15）可以估计：内区的沉降时间为4.5104年，外区的沉降时间为6.2105年，而地球区域的沉降时间为8.5104年。尘层厚度难以计算。假设尘层物质达到罗奇密度，那么尘层厚度为106cm（内区）和108

27、cm（外区）。另外，尘层内颗粒大小，可以生长到3.4cm（内区）和0.04cm（外区），这与陨石颗粒大小量级符合。四、星子的形成尘层的物质密度足够大时，局部扰动会导致引力不稳定性，使尘层瓦解为许多物质团。物质团的密度随时间而呈灵敏式增长，当物质团的密度超过罗奇密度时，就可以发生自吸引塌缩，聚集成固体块星子。对于上述尘层，当尘粒在尘层内绕太阳作开普勒转动时，引力不稳定条件为：W2+k2-2pGsk0 (1-16)式中，W为转动角速度；k为波数；vS为声速。令扰动波长l=2p/k，则可从上式得出如下不稳定条件：l下ll上 (1-17)式中l下=4p2Gs/W2l上它们分别是在无局部压力梯度（vS=

28、0）和无旋转（W=0）的情况下得出的。根据物质团的扰动原理，当扰动尺度小于上界l上，大于l下时，才能出现引力不稳定。粗略估计，整个尘层内部都满足这个条件，因而尘层瓦解为许多物质团。瓦解之后的星子质量估计为1018g（内区）到1020g（外区）。各物质团自吸引收缩，很快形成星子。估计地球处由物质团形成星子的时间为104年，木星处的时间为106年。五、行星（胎）的形成初始星子除绕太阳作开普勒运动外，还有随机运动。大量的星子轨道是杂乱无章的，因而频繁地相遇和碰撞，发生结合或者碎裂。实验表明，相对速度小于0.5km/s的星子碰撞，其结果总是结合；相对速度大于1km/s的星子碰撞，其结果可能发生碎裂。前

29、者成为更大星子，后者成为更小星子。大星子引力较强，更有效地吸积周围的物质和小星子（引力吸积），迅速成长。小星子引力较弱，吸积残余粒而生长缓慢。较大星子（直径大于1km）因为自身引力场强，由碰撞聚积为主过渡到引力吸积为主。物质不断集聚到大星子上，使其生长更快更大，最大星子成为行星胎。在成为行星胎之前，初始的星子数目很多，可用统计方法进行理论处理，但到了行星胎之后，大星子数目很少，不能使用统计方法，只能使用天体力学中的多体问题进行处理。但由于多体问题尚未解决，因此行星形成的具体计算和描述就更难了。由星子结合成行星的时间，各人用不同方法估算，就地球而言，竟差34个量级。据戴文赛估计，地球形成时间为1

30、06107年，木星（固体核）形成时间为107年，水星为104105年。这与陨星母体的形成时间为几千万年大致相符。第三节 若干观测事实的解释一个假说能否成立，不仅在于这个假说能否自圆其说，而且在于能否解释已有的观测事实，并为以后新的观测事实所证明。利用戴先生的新星云假说，可以对若干观测事实予以定性或定量解释。一、行星轨道运动的解释这里要解释的是轨道运动的同向性、共面性和近圆性。同向性，这指行星公转方向与太阳自转方向一致；共面性，是指行星公转轨道面的倾角i彼此相差很小；近圆性，是指行星公转轨道偏心率e很小。对于同向性，显然这是因为它们由同一自转的原始星云形成的必然结果。对于共面性和近圆性，也可以从

31、“尘层星子行星（胎）”过程的随机性质加以解释。对于随机过程，有其必然的统计规律。在众多星子集聚成行星时，通过碰撞聚积和引力吸积，使轨道偏心率e和轨道倾角i平均化较好，即e和i的值都较小。应指出，上述三性是平均化的结果。这种平均化并不彻底，特别是在形成晚期，由于星子数目减少，统计规律失去作用，因而造成某些行星的e值和i值改变较大。这种现象带有一定的偶然性。二、行星体积、质量和密度分布的解释行星可分为三类：类地行星，巨行星和远日行星。各行星的质量、半径和密度列于表1-1。显然，行星的大小和质量分布特征是两头小、中间大，行星的密度分布特征是类地行星大、巨行星小，远日行星居中。这种分布特征是行星形成总

32、过程的必然结果，反映了各类行星在形成条件上的差别。类地行星区温度高，只有土物质凝聚，而冰物质和气物质大部分挥发掉。远日行星区太阳引力弱，所需逃逸速度小，因而大部分气物质逃离太阳系。巨行星区的逃逸速度不如远日行星区大，因此这个地区保持有相当数值的气物质（其他两种都居中）。这就导致三个区的化学组成的差异。含土物质多的类地行星密度大，含气物质多的巨行星密度小，含冰物质多的远日行星密度居中。严格说，可以从云盘可吸积物质密度及行星区宽度，算出行星质量分布两头小、中间大的特性。再进一步，使用行星密度分布的中间小、近日端大、远日端小，算出行星体积分布是近日端小、远日端中、中间大。在这里忽略定量计算，感兴趣的

33、读者可以参看文献5。 表1-1 行星系列的某些特征行星质 量m/t平均半径平均密度物质组成及比例土物质（Mg，Fe）及其氧化物冰物质（Nc，O及其氧化物）气物质（H，H2，He，Ne）类地行星水 星3.33102024405.4110-410-710-12金 星4.87102160505.2地 球5.98102163715.5火 星6.42102033833.9巨行星木 星1.901024499401.30.020.070.91土 星5.691018579300.7远日行星天王星8.741022253701.20.1950.6800.12海王星1.031018245801.7冥王星*1.401

34、01913501.5注：在2006年8月24日举行的国际天文学会上，经过投票，冥王星被逐出九大行星行列，被列为“矮行星”。 三、行星轨道半径分布的解释行星公转轨道半径的分布，遵从统计规律波特定则。它有多种表示式。其中，可由相邻轨道半长轴an表示成如下等比级数形式：an+1/an=1.690.26 (1-18)表1-2给出太阳系各行星的轨道半轴an的观测值及相邻行星的an+1/an比值。为了解释这一观测事实，许多学者做过理论计算。在这项工作中，戴文赛先生具有独到之处。图1-2是其解释示意图。图1-2 波特定则的解释图示令rn、rn+1为第n个行星区内外边界，则该行星的质量为或写成 (1-19)式

35、中，an、A为与密度分布有关的常数。利用此式，且令第n个行星区和第n+1个行星区宽度定义为：Dn=rn+1-rnDn+1 =rn+2-rn+1由此可得 (1-20)若行星区宽度完全正比于引力范围，即DXn这里Xn=(mn/3M)1/3an (1-21)式中，M为太阳质量；mn为第n个行星的质量；an为第n个行星的轨道长轴半径。同样，可以得到相邻两个行星区的宽度之比 (1-22)由式（1-20）和式（1-22）可得出 (1-23)从而建立行星轨道半径与行星质量的关系。若存在如下条件：mn+1=mn=m，an+1=an=a则式（1-23）右端第一、二个因子均为1，即有 (1-24)显然，上式右端与

36、行星质量m及密度分布常数a、A有关。适当选取这些常数，可由该式算出比值an+1/an的大小。若这些常数变动不大，则比值近似为常数。在表1-2中还给出计算结果。观测值与计算值在内行星符合得很好，而外行星符合得较差，这可能与受太阳系外的星体影响有关。总的平均值为1.780.18。 表1-2 波特定则的解释数据（以日地距离为1）行星观测值计算值anan+1/an行星区范围anan+1/an水星0.3871.890.2870.4860.41.75金星0.7321.370.4860.8570.71.43地球1.0001.520.8571.3551.01.60火星1.5231.771.3551.6431.

37、61.75（小行星）2.71.93 2.81.75木星5.2031.832.607.805.21.86土星9.522.027.8015.8210.01.92天王星19.21.5715.8224.4719.61.96海王星30.21.3124.4737.9738.81.98冥王星*39.6 37.9740.9177.2 平均 1.690.26 1.780.18注：在2006年8月24日举行的国际天文学会上，经过投票，冥王星被逐出九大行星，列为矮行星。 四、行星定居顺序及数目的解释因为尘层的密度随远离太阳而减小，星子生长率与密度成正比，故可知靠近太阳的行星先形成。水星胎形成时，金星区已有了大星子，

38、它同水星胎争夺边界区物质。如果它离水星近，因为边界物质少，不会生长快；它也不会离地球区近，因为还与那里的大星子争夺物质。尘层内可吸积物质的数量，限定了行星质量，从而满足D金/D水=X金/X水。这就是在推导波特定则中取行星区宽度（D）正比于引力范围（X）的道理。由于吸积过程的随机性，会产生一定偏差。以上是以金星定居为例，其余行星依次如此定居。形成行星的数量与星云盘内可吸积物质的数量有关。若星云盘内可吸积物质为0.00135M0时，形成九个行星和小行星；当云盘内可吸积物质增加12倍时，只形成三个行星；当云盘内可吸积物质增加340倍时，则只形成一个天体，太阳系就变成双星系了。五、角动量分布的解释如前

39、所述，太阳系中太阳的质量大、角动量较小，行星及其卫星的质量小，角动量却大，相差非常悬殊。这一角动量的特殊分布很自然使人们想到，原始太阳质量占原始星云的绝大部分，它刚形成时角动量一定比现在大得多，需要某种机制转移掉它的角动量。这种机制就是在第一节提到的“沙兹曼机制”。太阳系中太阳和行星的角动量分布，与太阳的演化和行星的形成过程有关。计算表明，太阳在其发展的金牛T阶段之前，角动量需要减少几十倍，才能保证太阳继续收缩。在这里“沙兹曼机制”是有效的，因为那时太阳自转快，表层活动剧烈，能够抛出很多带电粒子，这些带电粒子沿着与太阳共转的磁力线运动，由于当时的磁场比现在强很多，所以可以带走大量角动量。太阳活

40、动在赤道处最强，可以延伸到30以上。但是，由于星云盘很扁，尘层更薄，它的张角仅是太阳的1/70，所以太阳抛出的绝大部分物质不进入星云盘，而是被抛出太阳系，同时带走很大角动量。即使是这样，星云盘已获得足够角动量，使得所形成的行星具有现今的角动量。这样，就有效地用行星形成假说和“沙兹曼机制”解释太阳和行星的角动量分布特征。应该指出，地球是太阳系中一个普通成员，是一颗“规则”行星，因此，在利用戴文赛的太阳系起源假说解释一般行星的形成过程中，也解释了地球的形成。概括地说，一个冷的、自转的原始星云（质量1.30M0因自吸引而收缩，中部形成太阳，外部形成星云盘，凝聚的固体颗粒沉降到云盘中部（赤道面）形成尘

41、层。尘层各区的物理化学条件不同。当尘层的物质密度足够大时，可以发生引力不稳定性而瓦解为许多物质团。这些物质团集聚为星子，星子又因吸积而集聚成行星。这就是太阳系形成的一般轮廓，也就是各行星形成过程的共性。在尘层的地球区内，最大星子成为地球胎。由于尘层内各区的星子有大致相同的组成，所以地球吸积生长的初期是均一吸积的。但是，由于大星子及行星胎的摄动，星子改变轨道，可移到相邻的区域内。因此，在地球生长的后期，一定有相当数量的其他区的星子，尤其是邻近的金星区和火星区的星子，在通过地球区时，可以被地球胎吸积，因而在地球生长后期对均一吸积有一定的偏差。地球形成时的温度、密度和物质组成等状况，对地球形成后的早

42、期演化将起决定作用。第四节 地球早期的演化轮廓地球演化问题，是地球起源问题的自然延伸。如果说地球起源还离不开整个太阳系形成的话，那么地球演化基本是地球自身的改造过程。只是在它发展的某一阶段经受了小天体的撞击，从而影响它的演化方向。地球形成后，有过各种各样的变化。其中，影响特别深远的是整个地球分化成同心圈层，即地核、地幔、地壳、水圈、大气圈以及生物圈。其中地核地幔地壳，组成固体地球。水圈和大气圈对固体地球的形成和改造的作用也是不容忽视的。本节只能把几个圈层的形成及有关能量问题，粗粗勾画几笔，感兴趣的读者可参阅文献6。一、地核和地幔的形成7从原始星云分化出来时的原始地球，是一个均匀的球体，还是一个

43、已经分层的球体？对此有许多研究，可概括地分为两大派，均吸积说和非均一吸积说。非均一吸积说认为，在原始星云状态时，铁和硅已经分离；地球的吸积生长过程不是均一的，即先吸积铁，形成地核，后来吸积硅酸盐，形成地幔。这个假说的代表性人物是克拉克（Clark）和安德森（Anderson）。均一吸积说认为，地球所吸积的物质在组成上是均一的，吸积的物质同时含有硅和铁；地核和地幔的分异，是在吸积过程或吸积结束时开始的。这个假说的代表性人物是艾尔萨瑟（Elsasser）、穆斯（Murth）、林伍德（Ringwood）和拉姆赛（Ramsay）等。一般认为，均一吸积说的可能性大。根据这种假说，原始地球是一个接近均质的

44、球体。在那时各种物质混杂在一起，并没有明显的分层现象。但是，地球物质的均质现象是相对的，暂时的。在地球自身引力和内部温度的共同作用下，地球物质总是要分化的。在分化的过程中，流动的轻物质上升而成外层，流动的重物质下降而成内层。这就是地球的圈层分化过程。在圈层分化过程中，温度是不容忽视的外在条件。在温度很低时，各种不同物质都以固态存在着。因此，它们不可能在重力的作用下自由地升降。后来，由于地球的体积逐渐增大，地球保存热能的能力逐渐增加。这样，放射性元素在蜕变中所产生的热能，就在地球内部积累起来。随着地球内部热量的积累、地球内部的温度就逐渐增高，地内物质也就具有越来越高的可塑性。当温度高到一定程度，

45、以致地内物质具有足够的可塑性时，就开始了重力作用下的分化过程。圈层分化的结果，形成以密度高低为顺序的明显层次。在这里，物质密度的差异，则是圈层分化的内在条件。人们知道，地内的较轻物质，无非是硅酸物质；而较重物质，无非是的和镍。硅酸物质具有低密度和高熔点性质，铁和镍具有高密度和低熔点性质。因此，当地内温度足够高的时候，铁和镍就熔化了，而硅酸物质仍然保持其固体状态。这样，地球上层的铁和镍的熔体就渗过硅酸物质，流向地内深处，甚至地球中心。同时，地内深处的硅酸物质就浮到地球上部。这样，地球就分化成地核和地幔。地核和地幔的形成，是地球分化成同心圈层的第一步，也是关键的一步。如果没有地幔，则不会出现由它分

46、化出来的岩石圈；如果没有地核，则也不会出现由它分化出来的地球内核。现今的许多地质活动和地球物理现象，也就失去了存在的基础。这里有一个问题：从地球形成和圈层分化完成，至今已几十亿年，而随着地球整体的冷却，为什么地核（指外核）能保持原始的液态呢？笔者认为，这可能因为地幔本身有放射性物质加热，它本身是一个热导率不大的、坚硬而巨厚的“岩石帷幕”，其对地核起某种绝热作用。（顺便指出：地幔，这一中文译名是傅承义教授考虑到上述物理含义，并取英文Mantle的拼读谐音而确定的。）二、原始地壳的形成和陆壳、洋壳的分化在地核和地幔形成后，那时的地球表层是熔融的。在距今40亿46亿年前，表层开始冷却分异，形成全球性

47、的原始地壳。这就是大陆地壳。在距今30亿40亿年前，类地行星都受到星子撞击，由于地球质量大、引力强，撞击作用很猛烈。有人推算，单位地表受星子撞击比月球多30%50%，撞击坑比月球大11%15%。星子在地表的撞击分布不均匀，在集中受撞击区域，地幔熔化，并发生玄武岩喷发，排出大量岩浆和气体，从而改变原始地壳的成分，形成原始大洋地壳。原始大陆地壳由于部分熔化、再次活化和岩浆侵入等作用，进一步发生分异，形成由变质岩岩浆组成的下地壳和由花岗闪长岩组成的上地壳。由于地幔对流和板块运动，原始海洋地壳在海岭处长出新地壳并且向两侧扩张，在海沟处下沉，进入地幔而消失（参见本书第十章）。上述陆壳与洋壳的形成及其以后

48、的变化，大大改变了固体地球的外观。沧海桑田，今非昔比。现在已经很难看出原始外壳的痕迹了。如今，大陆地壳厚度约几十公里，由近似中性的岩石组成，其岩石年龄可达37亿38亿年；海洋地壳的厚度仅几公里，主要由玄武岩组成，岩石年龄仅几亿年。这一切现象，均可由统一的地壳形成学说得到解释。三、海洋和大气的形成关于地球大气的起源，概括地说有两种看法：原生大气说和次生大气说。原生大气说认为，地球在形成过程中就俘获星云中的气体，或星子、彗星陨落到地球上带来的挥发物，形成原始大气。原始大气还是还原态大气，以后才演化成今日之大气。次生大气说认为，地球或者是没有原始大气，或者即使有原始大气，但在某个阶段已全部丢失。现在

49、的大气，全部来自火山岩浆气体，即来自固体地球排出的气体。我国有人从行星地球形成的全过程分析，得出今日大气乃是古代之初始大气与次生大气，分两个阶段逐步演化而成8。关于海洋的起源，一个可以接受的看法是：在地球形成中，星子碰撞放出的水、火山岩浆活动产生的水、以及地球大气中凝聚的水，都可以流入海洋地壳（星子撞击坑），形成海洋。四、地球表层的变化进入地质时代以后，地球的圈层分化过程虽然没有停止，但主要限于地壳和地表。地壳和地面的变化，乃是各圈层相互作用的结果。在外面受到水圈和大气圈的作用，在里面受到地幔的作用。前者的主要能源，归根结底是太阳，因来自地球以外，统称外力；后者的主要能源来自地球内部，统称内力

50、。内力和外力改变着地球表面，也改变着地壳内部。这两种作用力相反相成：当外力作用把地球表面变得比较平的时候，地壳中轻重不同的物质就失去平衡，这就为内力起作用创造了条件；当内力作用使得地表高低不平的时候，就为外力，特别是海水作用创造了条件。地表的变化，最明显的是海陆分布的变化。陆地占地表的30%，几乎到处都有沉积岩的存在。沉积岩主要是在水中，特别是海中形成的。因此，这种岩石的存在说明，目前的这些陆地，过去曾经是在水中或海中。例如，全球最高的喜马拉雅山所在地一亿年前曾经是汪洋大海。这说明海洋不但可以变成陆地，而且可以变成高山。随着海洋变成陆地、甚至高山，沉积层不再是水平的，而是发生倾斜或者变成了褶皱

51、。地壳的变化，最明显的是火山和地震。火山同地下的岩浆活动相联系。火山的熔岩来自地壳下部和地幔上部。现在看来，火山似乎是罕见的。其实，在地质史上，火山现象曾经是普遍的，地震同地层断裂相联系。大陆地震主要发生在地壳的上部和中部（1020km占优势）。凡是大断层所在处，在地质史上都曾有大地震。火山和地震是地壳不停运动的剧烈表现形式，而海陆变迁则是地壳不停运动的缓慢表现形式。造成地壳和地表变化的原因，除上述内力和外力外，还应包括使地球自转速度变化的惯性力。总之，这些力造成地球整体和各个圈层的变化，可统称它们为地球动力。五、地球发展简史在这里，将本章所介绍的内容加以小结。地球的整体发展大致可以分为五个时

52、期9：(1) 地球形成期（约46亿年）：地球与其他行星、月球，陨石等都在46亿年前大致同时形成，都是太阳系原始星云的凝聚和塌陷的产物。(2) 放射熔融期（45亿41亿年前）：地球的早期熔融是不完全的。深部的分异成层较为完善，而浅部保留较多的放射性物质，成为后期地壳运动及内部分异的重要动力来源。(3) 小天体碰撞期（41亿36亿年前）：由于地球质量大，受到较多较大的小天体冲击，形成大型凹坑和凹地。(4) 熔流外溢期（39亿37亿年前）：由于地球的壳层较薄，在小天体冲击下，地壳将发生破裂，熔融状态的物质会沿破裂带溢出。(5) 板块构造发育期（37亿年前到现在）：这是地球地质发展史所特有的。上述的小

53、天体冲击不仅影响壳层产生破裂和熔流外溢，而且也影响幔层，因那里的可塑性大和温度高，导致大量的物质对流，形成软流层。板块构造的早期，岩石层尚薄，板块尚小且多；随时间推移，岩石层变厚，板块变大且集中，整个活动水平降低，进入现代板块活动阶段。以上认识是将地球物理学、天文学和比较星球学的知识结合起来得到的。从地球形成到板块构造活动期，不过几亿年（不足10亿年）时间，便展示出它所特有的发展历史。如果把地球作为宇宙空间中的一个星体，把宇宙因素和地球自身因素结合起来考察地球的变化，能解释更多的观测事实1011。六、决定地球演化的能量问题在地球的形成演化中，能量的生产、迁移、转化和消耗起着决定作用。(1) 主

54、要能源。主要能量来自引力势能和放射性衰变能。引力势能包括吸积释放能、压缩释放能和分异释放能。放射衰变能依半衰期长短分成若干种，它们在地球演化的不同阶段发挥作用。除引力势能和放射性衰变能之外，还有太阳幅射能、太阳风电磁能、超重元素的核转变能等，这些能量在地球演化中的作用，尚难定论。(2) 主要能量的估计。这里仅讨论三种： 吸积能 系指地球物质从无穷远处吸积成半径为R的均匀无压缩地球时所释放的能量，估计为2.021032J。如果吸积能全部转化为热量，足可使地球升温30000，以致全部汽化。值得庆幸的是，这些吸积能的90%是在地球生长到1/4M0（地球质量）前释放，5%是在地球生长到2/3M0前释放

55、的，剩下的吸积能不足5%，只可使地球的外层加热。 压缩能 系指地球物质在自压缩情况下，密度随深度而增加所释放的能量，估计为3.31031J。如果压缩能全部转化为热能，可使地球升温5000。 分异能 系指地球内部物质从均一组成演化为地核-地幔-地壳圈层结构所释放的能量，估计为1.41031J。如果分异能全部转化为热能，可使地球升温2000。以上三项引力势能，是在地球生长后期，即生长快速时放出的。关于放射性衰变能，其中半衰期为1081011年的部分，在地球46亿年的漫长演化中，释放约（1.53.0）1031J。如果这部分衰变能全部转化成热能。可使地球升温25005000。(3) 能量平衡。这里的平

56、衡是动态的。通常为了计算地球温度，需将主要能量的产生、转移和消耗考虑进去，并且涉及行星形成时间、地球物质的热导率等因素，建立一个平衡方程。这样所得温度分析，可以和由地震波等观测资料在一定假设下推导出来的温度分布进行比较。 参 考 文 献1 张少泉. 地球物理学概论，第二章. 地震出版社，19982 戴文赛. 太阳系演化学（上）. 上海科技出版社，19793 F.Hoyle. The History of the Earth. Quart.J.Roy.Astr. Soc.，1972，13，3283454 傅承义. 地球十讲. 科学出版社，1976，11255 戴文赛，胡中为. 论太阳系的起源.

57、中国科学，1980，3，2542806 FJ索金斯等著，张友南等译. 地球演化. 中国科技文献出版社，19827 朱志祥，关于地幔和地核形成的几种假说. 自然杂志，1980，3（11），8528628 陈哲明. 地球与行星大气的起源. 天文学报，1978，9（11）81919 徐道一等. 天文地质学概论. 地质出版社，1983，21421510 GB菲尔德等著. 欧阳珽，王华等译. 宇宙演化天文学入门. 科学出版社，198511 W.W.McEIhinny（ed.）. The Earthits Origin Structure and Evolution. Acad.Press，London，

58、1979第二章 地球的年龄及其研究方法1地球年龄，是指地球形成到现在的时间。这个问题初看起来很简单，但是认真研究下去，就不那么容易掌握。这是因为，作为地球年龄起算点的标志以及计算年龄的“时钟”都难以确定。人类为此已经走过一条漫长的探索之路。只是到了19世纪末，在发现了放射性元素及其衰变规律之后，才找到了一个比较可靠的测定和计算地球年龄的方法。本章首先对过去探索之路加以回顾，然后以放射性衰变规律为基点，介绍几种测定岩石或矿物年龄的方法，最后就如何得出地球年龄进行讨论。第一节 历 史 回 顾一、天文学家的尝试本节介绍几位天文学家、地质学家和物理学家在研究年龄问题时所做过的种种尝试。这些尝试虽然失败

59、了，但他们的研究思路的研究方法，对我们的研究工作仍有借鉴之处2。1从月-地系统估计地球年龄根据一定的月-地系统形成假说，认为月球与地球曾靠得很近，可以把月球看成是地球的一部分；后来，由于月球对地球海水的吸引力和对地球固体的吸引力不同，引起海水和地球本体的相对运动，形成摩擦（潮汐摩擦）；这种摩擦日积月累下去，导致地球自转速度的变慢。由于月-地系统的角动量守恒，当地球转速减小，从而角动量减小时，就要求月球的角动量增加，对于绕地球转动的月球来说，要增加角动量有两种可能：或者增加转动速度，或者增大与地球的距离。其中，增加转动速度找不到任何物理上的原因，那么，只有一个可能，即增大与地球的距离。因此，随着地球自转的逐渐变慢，月球与地球的距离在逐渐增大。这就是月-地分离的观点。杰弗瑞斯坚持上述观点。据他计算，月球由原来离地球最近的位置，跑到现在这个位置，大约需要4109年。显然，这个年龄应是月球的年龄。按照这种先有地球、后有月球，而且月球是从地球抛出去的假说，地球年龄应当比月球年龄大，也就是说，地球年龄至少在4109年以上。以上这种估计地球年龄的方法，称为潮汐摩擦法。用这种方法所得地球年龄（4109年以上），虽然与下面将介绍的放射性同位素方法所得的地球年龄（4.6109年）接近，但它是依赖一定的地月形成的假说，由于这种假说存在若干疑点，因而潮汐摩擦法没有得到普遍承认。2