2 地球动态

地球是一个真正动态的星球，活跃的火山作用、构造作用和大气现象就是证据。自转周期很短、质量很大的气体和冰质外行星也有活跃的大气循环和足够产生磁场的核运动。一些行星尽管在太阳系历史的早期曾经活跃过，但现在已经归于死寂。其他一些行星只经历了较小的地质和大气运动。

内行星运动强度的差异与它们的质量和与太阳距离的不同有关。质量小的行星积聚的吸积能量很有限，而散失能量的速度却比较快。像月球之类较小的天体，在地质时期开始的几十亿年间都是处于“冰冻”状态的。水星离太阳很近，它的大气全都被太阳引力剥去了。

很多更重的星球，如金星、地球和火星，在形成之初通过吸积以及长周期放射性同位素衰变获得了更多的能量。所以，它们可以长久地保持相对高的地质和大气活跃状态，在金星和地球上，这些活跃的运动一直延续到今天。火星上的地质活动主要由风、冰河作用和大气作用引起。

最初的外壳

在相对较早的时期，所有内行星发展出由硅酸盐岩石组成的固态外壳。这些固态外壳是由行星幔层下的物质被挤压形成的玄武岩火山岩组成的。地球的原始外壳曾经回归过地幔很长时间。推测地壳原始外貌的线索来自地球最近的邻居——月球，因为它的表面还保存着大部分古老的特征（月球的地质运动在20亿年前就终止了）。

月球古老的高地外壳是由一种叫做斜长岩的火成岩组成的，斜长岩主要由硅酸铝斜长石物质组成，这种岩石富含熔点很高的亲石元素。这一厚的外壳似乎是约44亿年前由一个富含铝、钙和硅的岩浆“海洋”结晶而成的。它经受着陨星和小行星的频繁轰击，这类轰击一直持续到40亿年前才停止，并在月球表面留下了巨大的撞击盆地和无数的陨坑。它们大小各异，从只有几米宽的微型陨坑到直径达几百千米的环状构造都有。陨坑比受到撞击时瞬间形成的穴要小一些，因为撞击过后的减压过程改变了该穴。

撞击过程不仅产生了陨坑和盆地，而且还制造了大量被抛入空中的碎片物质。这些物质最终形成了外壳基部顶上的复杂而广阔连绵的交错层。这些相当碎小的表层物质形成了所谓的风化层。在地球上，该风化层变成了土壤。

地球早期外壳的成分和月球外壳的成分是不同的，地壳可能含有更丰富的铁和镁，而高温硅酸盐的含量相对低些。地壳是由持续流出的高温液态岩浆构成的，这类岩浆一般与火山有关。在流出物刚结晶时，地壳很薄，岩浆很容易就能穿透脆弱的地皮。随着时间的推移，地壳表层逐渐叠加起来，岩浆就不容易突破地皮了，爆发就集中在了地壳比较薄弱的地区。

尽管有早期地球大气的遮蔽，地球地壳还是和月球表面一样，遭受着各种天体的频繁撞击。像月球一样，地球表面的岩石被击碎，并包含形成于高压下的硅酸盐矿物，如柯石英。随后，由于板块构造运动，早期地壳进行“再循环”，能移动洋底及大陆，将地壳表层向下推，使新物质被向上推，这个过程在今天的地球上还在继续。由于物质被再循环，因此岩石圈的大小一直保持恒定，它没有膨胀也没有收缩。

其他内行星的原始外壳也和地球差不多，但和地球不同的是，它们的外壳上都保留着大量的撞击痕迹。在水星、金星和火星上，最古老的陨坑地区已经被年轻的火山平原（坑间平原）部分湮没了，这说明在主要陨坑形成阶段结束后，广泛的火山活动仍然在持续进行。金星外壳上的小撞击陨坑数量远比水星和月球表面的陨石坑要少，这是因为金星浓密的大气具有屏障作用，进入大气的较小陨星都会在其中燃烧殆尽。

地球和金星的外壳从来没有厚到足以阻止岩浆从内部抵达地表的程度。然而，较小的行星最终能够达到一点，使它们的外壳厚到足以阻止进一步的火山喷发现象。到了那个时候，受内部运动影响而产生的地表变化也会停止。月球和水星就被认为处于这种地质死亡阶段。

火山

火山地区主要集中在构造板块（巨大块移动的地壳）的边界地带。在板块分裂地带，譬如在洋中央，岩浆和气体会从海床岩石的裂缝中逃逸出来并形成新的玄武岩海底地壳。在亚海洋脊露出海平面的区域，火山可以制造新的岛屿。

海洋玄武岩的硅含量比较低，这意味着它很容易液化并流失。另一种性状很不同的岩浆发现于一板块沉入另一板块下面的两构造板块碰撞区域，比如太平洋的西部海岸沿线。在这一地区，岩浆一般都富含硅酸和气体，并具有黏性，它释放的方式一般伴以剧烈的爆炸，正如圣海伦火山（美国境内）和皮纳图博火山（菲律宾境内）发生的一样。这些火山呈传统的锥形，它们是由熔岩和火山碎屑岩——由火山喷口喷出的颗粒组成——组成的。危险的地下气体混合物、熔岩和火山碎屑可能顺着火山侧面泻下，掩埋或窒息途中所遇到的任何东西。这些炽热火山云是致命的，就像在火山爆发后（特别是在热带地区）受风暴和暴雨引发形成的火山泥流一样。

地球上一些体积大但最不危险的火山一般位于所谓的热点处，热点是比平均地幔物质更灼热的上升“地柱”。这些巨大的盾状熔岩火山拥有平缓的坡面，在夏威夷群岛上，这类火山上升到海床以上10千米处，直径甚至超过100千米。火星和金星上的一些盾状熔岩火山比地球上的要大10倍以上。

盾状构造的形成与流体玄武岩岩浆有关，这些岩浆的流动速度很快、流量也很大。在火星上，单个的岩浆流可以达到300千米长、50千米宽，岩浆能以每秒高达100万立方米的速度被喷出。在地球上，由于板块运动，单个盾状火山可以在它底下的地柱移走之前持续生长200万年。在火星和金星上，热点会使同一个火山持续生长几亿年，并使它达到巨大的尺寸。地球板块边缘典型的火山和地震活动剧烈的狭窄带状区域在其他行星上是没有的。

地震

动态的行星以其内部运动为标志，在地表上则表现为火山运动、板块构造运动及地震。这些运动在其他方面意义重大：地震波在地球内部的传播使地质学家能够探测地球难以接近的区域。通过这种探测，地质学家能推断出地球有层状结构。其他内行星的结构也是如此。人类也已经对月球和火星进行了简单的地震研究。

每当上升的岩浆替代地壳的岩石或脆弱的岩石解体时，超声波或地震现象就会产生，它们在地球内部的传播速度与传播介质的密度成比例。这些震动能够被一种叫做地震仪的精密仪器记录下来，目前，全球各地已经设置了一系列的地震仪用来记录发生的地震。

并不是所有的地震波都是一样的。P波（初波或压力波）是压缩类型的波，它在固体、液体、气体中以“推-拉”的形式运动。这类波影响到的每个分子扰动都会使原子偏移约10-3米远。相反，S波（横波）为切变运动，它的传播速度是P波传播速度的60%，它只能在固体中传播。

当地震发生时，地震波就从震源处发射出来，处于震源正上方的地表点叫做震中。地震的强度以里氏震级来衡量，最大为9级。地震观测站是根据P波和S波到达该站的不同时间来确定震中位置的。要确定震中位置至少需要三个地震观测站的记录数据。

通过研究地震波在地球内部穿越时的反射和折射，科学家就可以推测地球的内部结构。只要将P波和S波的速度按深度的不同标示出来，人们就可以清晰地看到在深度为100千米左右的地方它们的传播速度开始下降，这主要是软流圈的作用。在100千米～700千米深之间，地震波的传播速度又逐渐上升，但是偶尔会有几处它们的速度又急剧“起伏”，这表明由于岩石化学成分和构造状态的差异而产生了地震不连续。在700千米以下直到2885千米之间，传播速度再次平稳上升，最终S波消失，而P波的传播速度也大幅下降。P波在偏离震源103°～143°内创造了一个阴影区，这标志着地核外核与地幔的边界，该边界有时候被称为古登堡不连续界面，因为它是在1909年由德裔美国地质学家本诺·古登堡发现的。S波的表面表明外核是液态的。

莫霍洛维奇不连续面（简称莫霍界面）的位置在P波速度突然变化的区域，它一般位于海洋地壳以下7千米处和大陆表面以下40～70千米处。它是地壳和地幔的分界面，该分界面的岩石类型有一个变化。莫霍界面以下的岩石类型主要是橄榄岩，而在该界面以上，海洋地壳主要是玄武岩，大陆地壳岩石的成分则和花岗岩类似。在地幔内部400千米和670千米深处还有两个地震不连续界面。这两个界面是由于压强增大引起的相变带来的，相变会对那里的矿物的结构造成重大影响。地核本身被认为与铁质陨星的成分是一样的。

20世纪70年代放置在月球的阿波罗地震仪对月震的研究显示：月球朝向地球这面的外壳厚度有60千米左右，但是背着地球那面的外壳厚度却可能达到120千米。月球的上幔层是固态的，但下幔层可能是部分熔融的。月球小而富含铁的固态核被认为位于约1500千米的深处。

大气

包覆着行星的气体形成了该行星的大气。最早的地球大气是由从地球内部逃逸出来的气体和彗星带来的气体组成的，按含量从多到少，这些气体分别是甲烷、水、氨和硫化氢。水分子在太阳能的作用下分解为氢（向太空逃逸）和氧（它们与甲烷作用，形成二氧化碳）。二氧化碳与硅酸盐发生反应形成碳酸盐，并从空气中析出。如果这种大气中的碳不被固定住（可能是被地球海洋中的水固定住了），那么大气的演化可能会呈现出完全不同的状态。大约35亿年前，细菌开始在地球上进化，它们开始通过光合作用吸收二氧化碳中的能量，并释放出副产品——自由氧。

在现代地球大气中，氮含量是最多的，约占了全部大气的80%，余下的20%主要是氧。尽管水蒸气、二氧化碳和臭氧的含量相对很少，却至关重要，因为它们能够吸收红外线辐射并进而影响大气和地表的温度。

行星大气成分的变化可以导致平均温度的升高或降低，从而使其气候发生变化。今天人类的活动与自然大气的变化关系密切，它改变了大气平衡并使地球温度升高。

云层对维持太阳辐射（进入地球）和热辐射（逃离地球）水平之间的微妙平衡起着相当重要的作用。无论何时，地球表面约有一半都被云层覆盖着。相反，金星表面则全部被云层覆盖着，外流的长波辐射不能穿透该云层，因此金星表面就因无法控制的“温室效应”影响而不断升温。火星大气就比较稀薄而且云层覆盖范围也很小。在这种条件下，外流的辐射就很容易逃逸，因此火星表面的温度很低。

地球大气主要可以分为四层，这是因太阳热量分布不均引起的温度和气压的变化导致的。靠近地表的三层温度最高：最靠近地表的是对流层，可见光辐射和红外线辐射会在该层被吸收；地表以上50千米处是同温层，在这一层，臭氧会吸收紫外辐射；第三层位于几百千米的高空处，叫做电离层，在这里光电离作用会吸收紫外辐射。

地球上的云层系统和天气系统是大气和海洋相互作用的结果。风会将这些系统移动很大的距离，有时形式甚至相当剧烈。绝大多数的天气现象发生于对流层（从地表以上至11千米的高空）。对流层和同温层之间的分界面叫做对流层顶。

由于火星上没有海洋，因此它的稀薄大气层的运动相对于地球而言就简单多了。火星大气成分的90%是二氧化碳，但火星极地冰盖和亚表面岩石中却含有相当可观的水。由于没有臭氧层，紫外辐射分解了火星大气中的水蒸气和二氧化碳。

金星大气实际上全部是二氧化碳，且其表面的压强是地球表面压强的90倍。尽管金星大气上层的云循环很活跃，但是下层有可能是相当平静的。金星上可能曾有过一个海洋，但温室效应使大量的水（也许相当于地球海洋水分的1/3）被蒸发了。水星可能从来就没有过大气和海洋，它的表面气压非常低，几乎接近真空。

外行星的大气大多是由氢化合物组成的，它们的自转速度很快。外行星赤道和两极之间相对较小的温差说明了它们的热传递过程和地球上的是不同的。和其他巨行星不同，木星有一个内部热量源，它并不依靠相当弱的太阳辐射来为其提供热量。

海洋

地球上的海洋和大陆在地质上存在着很大的差异，海洋位于低处并充满了水，这种特征是构造板块运动引起的。海底有呈线形绵延的海底山脊和深海沟，它们被深海平原隔开。海洋地壳形成于背离型板块边缘地区，最终消弥在会聚区。板块“再循环”很快，因此能够确保现代海床中海洋地壳的年龄不超过2亿岁。

海洋地壳的平均密度大约是3.1克/厘米 3，它被沉积物覆盖着。上部2.5千米厚的地壳是由玄武岩组成的；更粗糙的辉长岩层位于玄武岩之下，厚度达5千米。再往下是密度更大的岩石薄层，然后就是地幔了。

海底沉积岩的年龄超过35亿岁，这证明海洋至少也和最初的大陆一样古老，那时，地球外表面一定已经存在注满了水的盆地，这些水最初来自火山释放的气体和水蒸气。今天，海洋的覆盖面积占了地球表面面积的2/3，而在过去，因为早期大陆很小，所以它的覆盖面积所占比例应该更大。

海水中包含了一系列的化学元素，主要有氯化物、硫酸盐、钠和镁，其次则是钙和钾。海水的盐度（3.3%～3.8%）在广大的海域中几乎是不变的，只有在靠近冰盖的地方才有所不同。海水代表的是不同稀释度的标准溶液，它的盐分来自风化的大陆岩石，这些风化的岩石由河流带入海洋。早期的海水可能比今天的海水淡，因为古代（特别是在太阳系形成的最初10亿年间）的大陆比较小，因而供应给海洋的盐分也相对较少。

海洋盐分的另一来源是热液喷泉，这是潜水研究船“阿尔文号”新近在海底山脊处发现的。在这些地区，水穿过新形成的地壳，带走水中铁、锰、锂和钡中的所有盐分。这些地区甚至还是大量硅、钙以及二氧化碳的发源地。

海洋中的二氧化碳是海水和大气交换的结果，如果在空气中增加二氧化碳，那么将近一半的二氧化碳将被海洋吸收。一旦进入海水，二氧化碳就会和碳酸及碳酸盐离子保持平衡。在深约5千米以上的海水中，碳酸盐都会趋向于沉淀，而在该深度以下则不会。这使得有机体能利用碳酸盐在浅海形成它们的甲壳，而不必担心碳酸盐的耗竭。

海水的密度由盐度和温度决定，密度的不同则导致了大洋环流。通常，海水的温度越低，密度就越高，但在4℃时密度是最大的。从海面到100～200米深的地方，海水被太阳加热并被风和浪搅动着，在这个深度（温跃层）以下，温度通常会急剧下降2℃～4℃。现代地球大洋环流模式主要是南极冰川的交替融化和冻结使得南大洋的温度和盐分产生差异造成的。

早期大陆

今天的地球大陆覆盖了地球表面30%左右。大陆岩石的密度比海床岩石的密度低，它们“浮”在较重的地幔岩石上。大陆地壳的厚度为20千米到90千米不等，包含主要山系的地壳最厚。经测算，最古老的大陆山丘的年龄是39亿岁。大陆区域的结构远比年轻的海洋地质构造复杂。大陆中心区域最古老，越往边缘地带就越年轻。

克拉通稳定地块，也就是地盾，存在于绝大多数大陆的中心区域，它们由受花岗岩侵入变形的变质岩组成。克拉通稳定地块是古老山脉的遗留物，它们被稳定台地包围，在该处有一层厚厚的水平沉积岩在克拉通地块岩石上堆积起来。邻近该稳定台地的区域是年轻的构造带（或叫造山带）——两大大陆板块碰撞形成的线形压缩褶皱山脉，它也可以指大陆板块和海洋板块碰撞形成的山脉，如南美的安第斯山脉。

大陆的发展并不是一蹴而就的，它可以分为几个阶段：约10%的大陆地壳形成于距今38亿～35亿年前的太古代；60%形成于29亿年～26亿年前；还有30%则是在元古代晚期（19亿年～17亿年前和11.9亿年～9亿年前）和显生宙时期（始于大约5.9亿年前）的大型造陆运动阶段中形成的。

没有人能确定最早的大陆地壳是怎么形成的。地质化学研究表明部分熔融的海洋地壳制造了一个“原始地壳”，它与周围的海洋物质不同。在地幔内部的强劲对流运动和陨星撞击的作用下，“原始地壳”进行了不断的再造。这一过程中产生的早期大陆非常小。

对大陆发展的另一种解释就涉及海洋地壳内的俯冲带，俯冲带是指两大海洋板块相撞、其中一块撞入另一个板块下面并引起地壳岩石熔化和火山产生的地区。通过这种活动，新的岩石就被制造出来，并形成弧形列岛。像这样由比海床密度稍低的岩石组成的地质结构也许就是早期大陆的中心地盾，但现在还没有确切的证据证明就是它们形成了最早的大陆地块。

更新的观点认为，大陆的增长是板块运动的结果，最重要的形式是海床的扩张，它引起了大陆形状和位置的变化。然而，在地壳很薄的太古代时期，事情的发展也许会有很大的不同，因为那时地球的内部更热，地幔的对流也相当激烈。似乎当时的大陆更小但数量众多，而板块则更薄，也更容易发生变形。

金星是所有行星中唯一可能存在和地球相似的大陆地壳的行星。事实上，被称为特瑟磊的变形岩块很可能是由来自玄武岩平原的不同岩石组成的。这些岩石似乎横向移动过。

冰川

地球历史的很多时期都遭受着冰川作用，在这些时期，来自极地的巨大冰层会覆盖陆地和海洋。每块大陆的岩石中都留下了冰川的印迹，这给尝试了解地球历史的地质学家们提供了重要的线索。

冰川期并不会持续寒冷，寒冷期会被温度高得多的间冰期打断。现在人类就是生活在一个间冰期，它已经接近更新世冰期（开始于大约1000万年前）的末期。大约1万年前，冰盖退到了它们现在的位置。

目前已知最古老的冰川沉积物发现于加拿大的休伦湖附近，有27亿年到18亿年历史的3层冰川沉积物覆盖了12万平方千米的广大地区。这些冰川沉积物被形成于温暖间冰期的沉积物隔开。冰碛岩和冰碛沉积物是可以展示出冰川作用特征的典型岩石，而与之类型相似、年龄相仿的岩石在澳大利亚北部地区和非洲东南部地区也曾发现过。

在9.4亿年以前发生的大规模冰川作用人类已经无法考证，但我们已经知道，在7.7亿年到6.15亿年前，冰川作用时有发生。而在前寒武纪时期以后，显著的冰川时期主要发生于奥陶纪末期和二叠-石炭纪；从那以后到最近的更新世冰川期到来之前，是一段很长的间隔期。

冰川期岩石保存在大陆——例现在比较干燥、纬度较低、气候炎热的澳大利亚和非洲北部——的岩石序列中，因此显然可以看出，这些大陆的位置曾经发生过变动。例如，二叠-石炭纪的冰川作用影响了当时存在的整个“超级大陆”，即泛古陆，结果，泛古陆就分裂为冈瓦纳大陆（南部大陆）和劳亚古大陆（北部大陆），之后它们又进一步分裂为今天的大陆。过去冰川作用留下的痕迹使地质学家能够推断出该大陆相对其他大陆和极地移动的方式。

尽管地球已经持续降温了6000万年，但是现代冰期仅开始于约2000万～3000万年前，南极洲移动到现在的位置标志着这段冰期在南极的开始。在那个时期，南极洲还没有现在这么厚（2.4千米）的冰雪覆盖层，该覆盖层是自那以后才逐渐形成的。

现代冰期在200万～300万年前发展到了顶峰，在该时期，人类开始进化，这暗示着严酷和剧烈的气候变动会促使进化朝着选择更有智慧的生物的方向发展，这些生物能够“思考”生存的方法，而不是仅仅依靠本能。

冰期的地表并不是始终覆盖着冰层，相反，冰川作用经常会被气候温暖的间冰期打断。最近的冰川期始于12万年前，并持续了10万年以上。

尽管我们仍然处在现代冰期，但我们正享受着不同寻常的稳定间冰期。这一间冰期已经持续了1万年，但没有人知道地球气候离变回寒冷还有多少时间。

影响全球气候的因素有很多，并不是所有的因素都是循环的或周期性的，有些因素比另一些因素的影响要大得多，但是所有的因素都能导致冰期的出现。

首先，板块构造使得大陆漂移，大陆所处的位置影响全球暖流的运动，而暖流的全球性运动被科学家比作地球的中央暖气系统。该系统被称为全球传输带，如果大陆的移动改变了水流的运输模式，全球的暖流就会陷入混乱，一旦从赤道传向高纬度地区的热量减少，冰期就会到来。

其次，造山运动会破坏大气环流的模式，这会和板块运动一样对海洋环流造成影响。例如，在过去的1500万年中，以喜马拉雅山脉和青藏高原为代表的全球大陆平均上升了600米，这可能促使现代冰期的到来。

再次，大气中的二氧化碳含量也会影响全球的气候。对南极洲冰核的分析让科学家了解了整个地质时期的大气中二氧化碳含量的变化，该分析表明大气中二氧化碳的缺乏与冰期的形成有着紧密的联系。在二氧化碳含量很高的时期，“温室效应”便会使地球变热、冰川消融。越来越多的科学家认为，由于现代人类活动向大气排放了大量的二氧化碳，它的含量最终会大大超出自然水平并导致极地冰盖融化。融化出来的淡水会将全球传输带完全切断，从而使地球进入另一个冰川期。

尽管上述三种因素不是周期性的重复事件，但还是有大量的数据表明几百万年前的冰期就是由这些因素引发的。只不过由于地球运转轨道的循环变动使得地球接收的太阳辐射量增大，才度过了冰期。

20世纪30年代，塞尔维亚科学家密尔顿·米兰柯维奇提出：地球轨道的三个重要变化导致了冰期的产生。第一个变化是：地球轨道在10万年内逐渐从正圆变为椭圆，再从椭圆变为正圆。第二和第三个变化是：地球自转轴的倾斜度从24.5°变为21.5°，并绕圈摆动（移动）。地球轨道的倾角（倾斜度）变化周期为4万年，岁差2.3万年。三者结合就造成了地球接收到的太阳辐射量和接收太阳辐射地区的复杂的变化循环。这三大变化与最近的冰期冰盖的前进和后退有很大关系。

此外，与自然作用等效的核冬季也会引起全球温度的变化。核冬季是指核战争时向大气中吹入的尘埃云团，这些尘埃会挡住阳光，引起全球的温度急剧下降。类似的情形可以从大范围的火山爆发和彗星或小行星的撞击中想象出来。因此，这样的事件也可以引发冰期的到来。