地球水的演變歷史

2021-01-12 科學點亮人間

一、海相沉積

海相沉積是指海洋環境下,經過海洋動力過程產生的一系列沉積,包括來自陸上的碎屑,海洋生物骨骼和殘骸,火山灰和宇宙塵等,具有海洋環境的一系列巖性特徵和生物特徵。

經過39億年的沉積,累積起來的沉積層有多厚呢?中國科學家在珠穆朗瑪地區發現的海相沉積厚度為1.1萬米,美國科學家在阿巴拉契亞山脈發現的海相沉積厚度為1.2萬米,四川平原的海相沉積厚度為7000米,塔裡木地區的海相沉積厚度為8000米。海洋沉積物的沉積速度大約為每千年1至3毫米,要沉積1.2萬米大約需要40億年。

二、地球水的總量

地球地殼在39億年前爆炸(詳情請看「生命起源於地殼爆炸」),爆炸口在太平洋。當時大量的高壓水蒸氣從地球內部噴出,這些水蒸氣冷卻之後回落地面便形成大海。地殼爆炸時究竟產生了多少地球水?

地殼的結構劃分為兩大類:一是地殼爆炸之後重新形成的新地殼,也就是海洋地殼,稱之為海盆;二是未爆炸的地殼,也就是陸地地殼,稱之為陸盆。根據上面的討論,美國科學家在阿巴拉契亞山脈發現海相沉積厚度為1.2萬米,這表明39億年前地球的陸盆水深超過1.2萬米。還有,珠穆朗瑪地區的海相沉積厚度為1.1萬,四川平原的海相沉積厚度為7000米,塔裡木地區的海相沉積厚度為8000米。很顯然,這些沉積都發生在陸盆上,陸盆上的海相沉積厚度在7000米和12000米之間。這表明陸盆上的地勢有高有低,在加裡東造山運動之前(4.4億年前),四川平原的地勢就比美國阿巴拉契亞山脈地區的地勢高出5000米。而海盆的平均水深要大於陸盆約2000米。所以,39億年前,海水的深度大約在7000米和14000米之間,海水的平均水深大約為1萬米。我們就用1萬米的平均水深來估算地球水的總量。這裡所說的1萬米的平均水深是指把地球看成一個標準的球體,這個球體的表面被1萬米的水深包圍著,以下所說的平均水深的含義與此相同。

球的體積公式為:V=(4/3)πR^3,地球的半徑R=6.3782×10^6米。水深用H來表示,則H=1×10^4米。由此便可以求出地球水的體積,計算如下:

V = (4/3)πR^3-(4/3)π(R-H)^3

= (4/3) ×3.14×(6.3782×10^6)3-(4/3) ×3.14×(6.3782×10^6-1×10^4)^3

= 5.1016×10^18(立方米)

計算結果表明,地殼爆炸時產生的地球水的總體積大約為5.1016×10^18立方米,其質量大約為510億億噸,大約是目前地球水量的3.7倍。

地殼爆炸時,510億億噸高壓水蒸氣從地球內部噴出,冷卻之後回落地面,形成平均約1萬米的水深,把地球表面全部包圍了起來!當如此浩瀚的水量從地球內部噴出時,其溫度超過1000攝氏度。其爆炸力究竟有多可怕?你慢慢去體會吧!

三、陸地的出現

目前地球水的總量為多少呢?美國地質調查局於2012對地球水資源重新進行統計,繪製出了一張地球水資源總量圖。研究人員發現,如果把地球上所有的水——海水、河水、地下水、水蒸氣、甚至動物和人身體裡的水都收集起來,將能形成一個直徑為1385公裡的「水球」,這些水的體積將有13.86億立方公裡(1.386×10^18立方米)。根據目前地球水的體積,可以求出目前地球水的平均水深約為2700米。

從39億年前至現在,地球水減少了多少呢?用△V來表示地球水的減少量,則有如下等式:

△V=5.1016×10^18立方米-1.386×10^18立方米=3.7156×10^18立方米

地球水減少的平均速率=3.7156×10^18立方米/39億年=9.5272×10^16立方米╱億年。

計算結果表明,每經過1億年時間,地球水大約要減少9.5272億億立方米,大約為9.5億億噸。

39億年前,地球被1萬米的平均水深包圍著。目前地球水的平均水深大約為2700米,39億年來地球水的平均水深減少了7300米,每經過一億年地球水的平均水深就要減少187米。減少的地球水流到哪裡去了?自然流入到地幔的上層。這意味著,目前地幔上層的水柱厚度達到了7300米。地幔的厚度增加了,自然會把地殼往外推,結果,地殼就會產生褶皺運動而形成山脈,地面就會上升。地幔中水柱的厚度增加多少,地殼就會往外移動多少,地面就會上升多少。所以,39億年來地面平均上升了7300米,每經過一億年地面平均上升187米。

從39億年前到8億年前,歷時31億年。在這31億年時間內,地球水的平均水深減少了5797米(31億年×187米╱億年=5797米),只剩下4203米。減去目前地球水的平均水深2700米,其值為1503米。按照目前的海拔標準,在8億年前,海拔超過1503米的地面才能露出水面。

從39億年前到6億年前,歷時33億年。在這33億年時間內,地球水的平均水深減少了6171米(33億年×187米╱億年=6171米),只剩下3829米。減去目前地球水的平均水深2700米,其值為1129米。按照目前的海拔標準,在6億年前,海拔超過1129米的地面才能露出水面。

從39億年前到4億年前,歷時35億年。在這35億年時間內,地球水的平均水深減少了6545米(35億年×187米╱億年=6545米),只剩下3455米。減去目前地球水的平均水深2700米,其值為755米。按照目前的海拔標準,在4億年前,海拔超過755米的地面才能露出水面。

那麼,地球上什麼時候才出現陸地呢?很顯然,最早露出水面的必定是那些高聳的山脈。地球上大部分的山脈是在加裡東造山運動之後形成的。加裡東運動開始於距今5.7億年,結束於距今4億年,以英國蘇格蘭的加裡東山而命名。而加裡東造山時期則發生在志留紀末泥盆紀初,志留紀大約開始於4.4億年前。所以,地球上大部分的山脈是在4.4億年內形成的。

在加裡東造山運動之前,曾經出現過三次較大的造山運動。第一次造山運動發生於26億年前,稱之為阜平運動,主要造山地點在保定市阜平縣。第二次造山運動發生於25至18億年前,稱之為呂梁運動,主要造山地點在呂梁山。第三次造山運動發生於8億年前,稱之為晉寧運動,主要造山地點在雲南中、東部的晉寧、玉溪等地。所以,8億年前,地球上地勢最高的地方應該在阜平縣、呂梁山和雲南的晉寧、玉溪等地。

目前保定市阜平縣最高的山是歪頭山,海拔為2286米。但8億年前,歪頭山的海拔高度並不是2286米,因為每經過1億年,地球水的平均水深就要減少187米。所以,8億年前歪頭山的海拔高度應該是790米(2286米-8億年×187米╱億年=790米)。同樣道理,6億年前,歪頭山的海拔高度應該是1164米(2286米-6億年×187米╱億年=1164米)。

目前呂梁山的海拔高度最高為2500米。8億年前,呂梁山的海拔高度最高應該是1004米(2500米-8億年×187米╱億年=1004米)。6億年前,呂梁山的海拔高度最高應該是1378米(2500米-6億年×187米╱億年=1378米)。

目前晉寧地區的最高山為谷堆山,海拔高度為2648米。8億年前,晉寧地區的最高山的海拔高度應該是1152米(2648米-8億年×187米╱億年=1152米)。6億年前,晉寧地區的最高山的海拔高度應該是1526米(2648米-6億年×187米╱億年=1526米)。

根據上面的推算,8億年前,海拔超過1503米的地面才能露出水面。但8億年前,地球上沒有任何地方的海拔超過1503米。所以,8億年前地球上沒有出現陸地,全部土地都被海水淹沒。

6億年前,海拔超過1129米的地面才能露出水面。那時,阜平縣歪頭山的海拔高度是1164米,呂梁山的最高海拔高度是1378米,晉寧地區的最高山的海拔高度是1526米,這幾處地方的海拔高度都超過了1129米。所以,6億年前,阜平縣的歪頭山,呂梁山的大部分地方,雲南晉寧、玉溪的大部分地方都露出了水面。但地球上的其它地方仍然被海水淹沒。

4億年前,海拔超過755米的地面才能露出水面。那時,加裡東造山運動已經結束,在地球上形成了很多山脈,這些山脈的海拔高度都超過755米。所以,4億年前,地球上已經有很多地方露出水面,出現了大片陸地。

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