§3.3 地球的形成与演化

如果能把地球的形成和演化过程描述清楚，那么其他的行星和卫星的形成也基本清楚了。在太阳刚形成时，太阳周围的几个切变带中有一个切变带是地球的位置，我们称为地球星云切变带。地球切变带上的所有星云和胚胎的自传方向相同。通过碰撞和引力作用，到后来的某一个时刻，这个切变带上还有3个胚胎，其中只有1个胚胎发展得最大，如图3.3.1。另外两颗相对较小，一个受最大胚胎的引力作用，加快向最大胚胎靠近并撞击上去；另一个小的胚胎在被最大胚胎吸引的过程中，进入一个绕转大胚胎的轨道，这时它的绕转速度使得它成为这颗大胚胎的卫星。最大的胚胎就是我们的地球，而那颗绕转的胚胎就是月球。地球和月球的自转方向相同，是因为它们起源于同一个切变带。一种学说认为月球是通过某种尚说不清楚的原因从太平洋剥离而形成的。把月球填入太平洋可以把这个大洋填平，但这不能解释月球的自转方向以及是什么力使它离开地球的。

我们来看地球胚胎发展的过程。最初的地球胚胎也像其他的胚胎一样，温度可能只有几开尔文。低温胚胎呈固体形态。这颗胚胎在增长的过程中捕获大量周围的胚胎，这些胚胎位能转换成动能，撞击到地球胚胎上时，动能转换成热能。地球胚胎表层的温度随着大量胚胎的撞击而逐渐升高。到一定时候，地球胚胎的中心部分是固体的，而表层是液态的了，这就是高温岩浆。地球胚胎切变带上的切变角动量最后收缩到地球胚胎上，使地球胚胎旋转加快。大量的胚胎撞击到地球胚胎上，在熔融的状态下重金属的成分下沉到地球岩浆的底部，而轻的物质上浮到地球胚胎的表层。地球胚胎的旋转加快，使得它的形状是略呈扁平的。轻物质更多的集中在地球胚胎的两极。在那样的旋转速度下，极地的位势高度高于赤道。当这个切变带上所有的星云和胚胎都被地球胚胎和月球胚胎吸引完后，地球和月球胚胎旋转最快，表层温度最高。在最高温度和最高速度之前的时段，我们称为地球的天文演化阶段。在这之后我们称为地球的地质演化阶段。

地质演化阶段开始时，地球的旋转速度可能是现在的2倍，即一年有400～600天。这时通过地球冷却和重力分离形成了大气和海洋。重的元素，如重金属趋向地球的内部，而轻的元素浮到了表层。形成的大气自然在地球的最外层，而海洋位于地球表层位势低的地方。海洋应该位于当时的赤道上，而陆地位于地球的两极。

地质演化不久后，地心为固体，外面是岩浆流体，岩浆的外面是地壳，地壳外是海洋和大气，这是最初的地球成层的结构。在地壳、岩浆和固体地核构成的系统中，它们之间会发生角动量的交换。地质演化过程开始后，地球的整体自转角动量是减小的。假定地核与岩浆构成的系统中，地核失去角动量，岩浆圈层就会得到角动量。于是，岩浆旋转速度增大，在其外层的地壳受岩浆流体的作用产生向东的相对速度，同时也受到向赤道的地转偏向力的作用。这两个力的作用下位于两极的地壳板块会发生断裂和相对运动（钱维宏，1996）。

图3.3.2分别给出了南、北半球极地大陆分裂时的形势。南半球大陆分裂成了5块，以非洲板块最大，印度板块最小。当时的南极位置在非洲板块的南端，这个位置正与南非发现的世界上最大的自然钻石位置一致。当时的南极洲板块并不在南极，很多地方处于当时的中纬地区，这也许可解释为什么南极板块上能有高品位的煤炭和生物化石。北半球的原始大陆分裂成了4块，亚洲板块最大，格陵兰板块最小。日本和菲律宾仅仅是亚洲板块东侧的破碎边缘。最早的北美大陆板块是隔日本和菲律宾岛屿与亚洲板块相连的。当时的格陵兰并不位于北极附近。也有报道说，西伯利亚有钻石的发现，而这个地方也在古北极。很有意思的是，地球古大陆的分裂就是“四分五裂”的。

自古极地大陆分裂成大小不等的一系列板块（大的为大陆板块，小的为岛）之后，这些板块所在的纬度不同，水平漂移距离和旋转的角度也不同。因而，从原始板块开始，在漂移的不同时期，板块的形状也在不断变化，随着板块漂移过程中的相互碰撞和挤压作用，大陆板块与冷却增厚的海洋地壳的相互作用等因素，导致了最原始大陆板块之间的相对运动，位置也发生了复杂的变化。

分裂后的大陆板块漂浮在岩浆流体之上并随其运动。南半球的板块应该向东偏北方向移动，即大陆的漂移具有定向性。由于分裂后的大陆板块所处的位置不同，漂移的方向和速度也会不同。在漂移的过程中，还会发生大陆板块的形变和整体连带的漂移。由于大陆分裂的不均匀性，分裂板块的角动量又与岩浆流体的角动量发生了交换。于是，岩浆流体的旋转极和旋转赤道也会不断发生变化。变化的结果使得岩浆流体的赤道与地球的自转赤道不重合了，南极板块到达地球的南极上，而印度板块纬度较低漂移到了岩浆流体的赤道附近。这个古岩浆赤道的位置沿地中海、青藏高原南边缘、中国南海、澳大利亚的北侧、加勒比海、地中海一线，把从南、北半球漂移来的大陆板块“一分为二”。

其实，地球的每个圈层都有它自己的赤道和极地。大气的赤道就是赤道辐合带（ITCZ），它并不是连续环绕地球一周，也不与地球的旋转赤道重合。大气赤道辐合带上是次尺度系统，如热带风暴经常发生的地方。ITCZ是这些热带风暴产生的母体。海洋流体也有赤道辐合带，它的分布也不与地球的旋转赤道重合。作为岩浆流体也有它的辐合带，地壳嵌入岩浆，就像地形对大气运动的影响一样，赤道辐合带的位置甚至走向都不完全沿地球的旋转赤道。英国伦敦现在的地理纬度在N52°附近，而它的古地磁场是在N30°附近。这个N30°就是相对岩浆流体旋转赤道的纬度。

南半球大陆漂移的力是指向东北的，北半球大陆漂移的力是指向东南的，大陆漂移具有这样的方向性。知道了大陆漂移的方向后，古岩浆流体赤道以南的大陆板块就可以回复到原来的位置。把非洲板块南端的合恩角向西南方向拉回到南极附近的罗斯海，把非洲板块南端的厄加勒斯角向西南拉回到南极附近的威德尔海，澳大利亚板块也向西南方向拉回到南极板块的附近。则一个古南极大陆板块就回复成了。那里的海盆就是这些大陆板块漂移后的产物，可以找到“一个萝卜一个坑”。图3.3.3是以南极为中心构成的古南半球大陆的回复示意图。以这个古岩浆流体赤道为界，赤道以南大陆边缘的岛屿都位于大陆的东侧、北侧或东北侧。在这些大陆的西侧和南侧就没有岛屿。岛屿相对大陆的分布也反映了大陆漂移的方向性。

通过大陆漂移方向性的分析，我们可以较好地解释一些岛屿的形成。像澳大利亚东北侧的新几里亚岛，显然是相对澳大利亚板块漂移较快的结果。这个岛屿并没有漂移过古岩浆流体赤道。把这个岛向西南方向回推，就可以与澳大利亚板块很好地吻合了。同样的原理，我们可以解释马达加斯加群岛和阿拉伯半岛都是相对非洲大陆板块向东北漂移较快的结果。朝鲜半岛和台湾岛是它们相对中国东部大陆板块向东偏南漂移较快的结果。东非大裂谷也像阿拉伯半岛和马达加斯加群岛一样，只是当时刚有漂移，但还没有与非洲大陆板块完全分开。所以，裂谷是大陆分裂的痕迹。中国东部沿京杭大运河有一系列湖泊，实际上也是大陆分裂的痕迹。

随着岩浆流体相对于固体地核旋转角速度的变化，大陆板块发生了多次来回漂移，但后一次漂移都比前一次漂移的距离短。洋中脊是大陆板块回漂遗留在海洋新地壳上的痕迹。现在看来，南半球3个海洋和北半球的2个海洋都是这些分裂的大陆板块向低纬度漂移散开的结果。大西洋上的洋中脊是南美大陆板块和北美大陆板块曾经漂移到过的地方。大陆板块向西回漂后，大陆边缘的残留物和与海洋板块挤压形成的堆起，就是洋中脊。所以，洋中脊的走向与大陆边缘一致。南美板块、澳大利亚板块和非洲板块第一次向东漂移到达的位置分别是南大西洋、南太平洋和印度洋上的南北向洋中脊。目前这些洋中脊到达它们各自西侧大陆的距离几乎相近。洋中脊成为新的海洋地壳的边缘，也是海洋板块的边缘带，是地震和火山活动带，是现代地壳运动的特征反映。从澳大利亚东北海洋上锯齿形的地震活动带位置，可以反映出澳大利亚板块曾经多次向东北方向漂移和向西南回漂。整个大陆经历过旋转、漂移，距离逐渐变短，最终到达现在的位置。海沟是什么？根据大陆板块的多次漂移和地壳的不断冷却，海沟应该是相连板块间最后一次漂移遗留的痕迹。