地球的起源與演化
地球的起源與演化問題一直是哲學家和自然科學家們長期探討與爭論的問題。早在遠古時期就有各種創世的神話或傳說，到了18世紀以後，這個問題進入了科學的假說階段。隨著科學技術的飛速發展，人類的眼界越來越開闊，掌握的證據越來越多，對太陽係及地球的認識也就更加深入。地球的起源和演化問題與地球的物質組成、地球的各種性質、內外各個圈層的起源與演化以及地球的資源與環境等方麵都有著密切關係。
天文地質
人們在從事長期地質研究過程中，積累了大量的第一手資料，越來越多的事實告訴我們，地球在其產生、發展、演化中並非孤立進行的，而是受到了宇宙因素的影響。地球岩石和地層的記錄中保存著許多天文過程的信息，是不可忽視的重要方麵。這些均體現了地球和宇宙的統一關係。
天文地質學是運用天文學的方法、觀測資料和成果來研究地球以外天體的組分、結構、起源和演化曆史，並應用這些研究成果探討和解釋地球上的各種地質現象的成因和演化規律的學科，是一門內容廣、綜合性強的邊緣學科。現代天文地質學所掌握的資料和研究成果已初步揭示，宇宙中的天體都有其發生、發展和滅亡的共同規律，太陽係內的天體在物質組成、結構、起源和演化曆史等方麵都有一定的相似性和可類比性，地球的形成和發展與太陽係、銀河係甚至宇宙星體都有密切的聯係。
一、宇宙起源新說
本世紀之初，天文望遠鏡和光譜分析技術的進步使天文學家能夠根據對恒星和星係的光譜，判斷該行星或星係在向地球和太陽係靠近，還是背離我們而去。到了20世紀30年代，天文學家所研究過的許多星係資料表明：幾乎所觀測到的所有星係，均以極高的速度遠離我們而去。而且，星係或星係團距離我們越遙遠，其背離我們的運動速度也越大。如果我們改變一下觀測的立場，以任意一個星係為中心，則其他的星係和星係團也同樣以極高的速度遠離這個星係而去。好像每個星係都位於宇宙的中心，而宇宙則以極高的速度在膨脹。
有了這個膨脹著的宇宙模型以後，無需多麼豐富的想象力就可以作這樣的設想：假如我們像放錄像一樣把星係的運動定格，並倒放回去，則最終所有的星係必將聚集在一起。那時候可能發生了一次大爆炸，於是所有的星係互相分離。天文學家還推算出了這次大爆炸的時間是距今（150±30）億年以前，這就是我們目前所觀測到的這個宇宙誕生的時間。這就是宇宙大爆炸學說。這一學說已被天文觀測的許多事實所支持。例如，長蛇座星團如果於100多億年前從目前地球所在的空間區域出發，其運行速度經測定為60500km/s，則它現在距地球應為20億光年。天文觀測表明，這正是長蛇座與地球的距離。
二、隕擊作用
隕擊作用即隕石撞擊作用的簡稱，是指宇宙空間中的隕石高速撞擊到地麵的過程中所發生的一係列作用。如圖12.1所示，當隕石撞擊到地麵時，隕石首先以強大的衝擊力穿插進入地下，同時向下和向周圍產生強列的擠壓力，使大量的物質粉碎、加熱膨脹甚至熔融，然後把被粉碎和加熱的物質向高空濺射，部分物質下落回填到撞擊坑中和坑的四周。與此同時，隕石撞擊使撞擊的四周和下部岩石發生衝擊變質作用和破碎作用，形成角礫岩和斷裂構造等。
隕石撞擊導致的衝擊變質作用由於具有極高的衝擊壓力，可以使地殼表層岩石中普通壓力條件下的礦物轉變成為極高壓力條件下形成的礦物，如普通的石英能轉變成高壓條件下的柯石英和斯石英，石墨能轉變成為金剛石。這種含高壓礦物的岩石往往是判斷衝擊變質作用的重要依據。隕擊作用形成的角礫岩廣泛分布於隕擊坑內、坑底部與四周坑壁地區；該作用還常在隕擊坑周圍形成放射狀或環帶狀分布的斷裂與褶皺構造，這種構造分布局限，在遠離隕擊坑處迅速消失。大規模的隕擊作用不僅可以導致局部的岩石熔融，而且還可以誘發地殼深部的岩漿活動；大量的粉塵進入大氣圈還會不同程度地影響地表環境，這又可進一步影響表層地質作用以及生物的生存與演化。
據研究，在地球演化的早期階段，由於大氣圈尚很稀薄，隕擊作用是十分普遍和強烈的。隨著後來大氣圈的厚度與密度逐漸增大，使得一般小規模的隕石降落在達到地表之前便在大氣層中燒毀或裂解，而且較大規模的隕石降落在經過了大氣層的緩衝、燃燒和裂解後，到達地麵時其隕擊作用也大為減弱。因此，總體來說，地球上的隕擊作用自演化早期以來具有減弱的趨勢。不同地質時期所形成的大量隕擊坑及相關現象，也大多因地球表層強烈的地質作用的反複破壞與改造而消失或難以辨認。目前在地球上發現的保存較好的隕擊坑有美國亞利桑那巴林格隕石坑、阿拉伯的瓦白隕石坑、加拿大魁北克克利爾沃特東西隕石坑（現已成為東西二湖）以及非洲南部和澳大利亞中部的隕石坑等。
現代天體地質研究成果揭示，在地球以外的其它太陽係天體上，由於一般缺少大氣保護層或保護層很弱，隕擊作用是十分普遍和強烈的一種重要地質作用。加之其它表層地質作用相對較弱，使得隕擊作用形成的地貌與構造保存較好，並且構成了這些天體上最普遍和最重要的地形景觀；這些天體的一些大型的和最要的區域構造單元的形成也常與大規模的隕石撞擊及其引發的內部地質作用有關。如火星表麵大約有一半的麵積都密布著隕石撞擊形成的環形山，環形與多環圓形盆地是其表麵的一類重要構造單元，其形成一般與較大規模的隕擊作用有關（圖12.2）。月海盆地是月球表麵最主要的一類區域構造單元，其成因一般認為也與隕石或小行星撞擊作用有關（圖12.3）。因大規模隕石的撞擊，形成巨大的坑穴，伴隨在周圍引起山崩和斷層，然後因隕石衝擊而誘發岩漿流溢，其表麵被熔岩覆蓋，遂形成了現在所見的月海盆地。
三、太陽係天體地質概況
太陽是銀河係中一顆中等恒星，以太陽這顆恒星為核心組成了太陽係，它主要由太陽、九大行星、大約40個已知的衛星以及無數個小行星和彗星組成。太陽係目前以冥王星軌道為邊界，直徑11.8×109km。太陽係的天體以太陽為中心作高速旋轉。太陽係是地球依存的、且相距最近的天體係，目前對其天體的地質資料也積累得最為豐富。
（一）太陽
太陽的直徑為139.2×104km，為地球直徑的109倍，體積為地球體積的130萬倍，質量為地球質量的33.3萬倍，密度卻隻有地球密度的1/4。
太陽表麵溫度達6000℃，內核溫度從理論上推測高達2000×104～3000×104℃。所以太陽上的物質不可能凝固，而是一個熾熱的氣體球，既沒有岩石圈也沒有水圈。
根據光譜分析，太陽大氣中有73種元素。太陽最多的元素是氫，按質量占71％；其次是氦，占26.5％；氧、碳、氮、氖等氣體約占2％；鎂、鎳、矽、硫、鐵、鈣等約占0.4％以上；其餘60多種元素不足0.1％。這些元素在地球上都存在。
據現代研究，太陽內部結構由表層向內可分為光球、對流區、輻射區和中心核4個圈層。中心核具有極高的壓力和溫度，在此環境下元素的原子結構將遭到破壞，因而發生熱核反應，成為太陽能的發源地；中心核產生的巨大熱能經電磁作用吸收一部分儲存起來，而大部分通過輻射區送到對流區；熱量在對流區以對流方式傳送到光球轉變為光能，並向四周輻射（表12.1）。
表12.1太陽內部結構模式
光球層是太陽表麵光采奪目的一個圈層，即通常說的日麵，該層的厚度約300km，它不斷地發出光和熱。在日麵上可以看到物質的流動。有時有成群的黑色斑點叫黑子（sunspot）。黑子是光球上的旋渦，它的溫度比日麵溫度低1000℃以上，因此看起來是黑暗的。黑子大小極不相等，大者直徑可達59200km。黑子的大小經常改變，位置也在不斷地變動，變化周期平均是11年。太陽黑子有很強的磁性，所以當出現很多的太陽黑子時，地球上就出現極光現象以及引起地球磁場的劇烈擾動和磁暴。
（二）行星
太陽係的九大行星可分為兩大類。水星、金星、地球和火星稱為類地行星，它們距太陽近，體積小，質量小，密度大，自轉慢，衛星少；木星、土星、天王星和海王星稱為類木行星，它們距太陽遠，體積大，質量大，密度小，自轉快，衛星多，多具星環。冥王星體積小，質量小，缺乏氣體元素，具有類地行星的某些特征（表12.2）。目前，人們主要對類地行星的地質特征了解較多，類木行星因距地球遙遠而了解較少。
表12.2太陽係主要天體的特征
1.行星表層的地形與地質
類地行星的地形，除火星外，大都保留了原始狀態，很少經過後期的改造。其顯著特點是均分布有大小不等的衝擊坑。水星的衝擊坑較多，有年青新鮮的、也有較老的。金星的衝擊坑較少，一般直徑不超過20km。行星表麵已發現的地形單元，有平原、盆地、山脈、和裂穀等。水星的平原多分布在大型衝擊坑之間，在水星表麵至少有一個大型的多環狀盆地，還發現了扇狀懸崖，高約3km，延伸長達幾百公裏。金星表麵上有山脈，高度小，並有穿越赤道的南北向大裂穀。
20世紀60年代中期以來，人類開始用宇宙飛船探索火星，因而目前對火星表麵了解較多。火星地表形態大致有如下幾種類型：①環形坑及其構成的環形盆地是火星上主要的地表形態，小者直徑數百米，大者可達幾百公裏，這些環形坑大多是衝擊成因的（見圖12.2）。②火山平原和火山錐。火星表麵廣泛覆蓋著火山岩，形成火山平原，約占其表麵積的三分之一。此外，還分布有大小不等的火山錐（熔岩錐），有的火山錐直徑達600km，高達3000m（圖12.4）。③“運河網”。在火星所攝得的圖像中，已判別出許多又長又寬的河道，稱為“運河”，其河床認為是過去某個時期流水（或液體）作用的結果。不少“運河”都有大的曲流，並有向下遊傾斜的趨勢。
風成沙丘。火星上的風速可達70m/s以上，風的地質作用十分重要，由於風蝕碎屑的沉積，形成許多沙丘，因此火星表麵上風成堆積十分發育。⑤峽穀和懸崖。火星表麵分布有大的峽穀，常數個相連。還分布有許多懸崖峭壁，其中不少高達2000m，延伸達1000km以上。
類地行星的表層物質，大多由火山岩組成，化學成分以矽酸鹽為主。有的表麵還有碎屑物覆蓋，如水星表麵覆蓋有一層與月球表土相似的浮土；金星表麵有一層厚度不到1m的覆蓋物。木星的表層物質較為特殊，由氫、氦液體構成，組成所謂液態海。
在火星和水星上，都發現有斷裂係統。火星的“運河”把火星表麵切割成直徑500～600km的多邊形塊體，最長的“運河”長達500km，寬200～300km，一般認為可能屬於深大斷裂性質。水星上的懸崖及線性構造，一些研究者也認為具有斷裂的特征。類地行星的斷裂大多是在星體發展的初期或稍後階段形成的。
從類地行星廣泛分布火山岩，說明星體發展曆史中火山活動普遍存在。據研究，水星的火山活動在30億年前已經結束，金星延續至較晚時期，而火星至今還可能有小規模的、微弱的現代火山活動。
2.行星的內部構造
據目前研究成果，類地行星的內部構造大體與地球相似，類木行星的內部構造了解相對較少。行星的內部構造一般均可分為星殼、星幔和星核3個圈層。但不同行星由於其演化過程不一樣，其星殼、星幔和星核的厚度比及體積比是不同的。星核一般主要由較重的元素（Fe、Ni、Si、C等）組成，密度較大；星殼一般主要由較輕的元素（Si、O、H、He等）組成，密度較小；星幔具有過渡性質。水星和金星的核可能為高溫的熔融體，而火星和木星可能具有固體的核；類地行星的幔體大多為固體；它們的殼層，除木星外，也均為固體岩石層，且一般較地球厚（表12.3）。
表12.3行星內部結構模式
（三）衛星
衛星是圍繞行星運行而本身不發光的天體。迄今為止，已發現火星有衛星2個，木星有16個，土星有23個，天王星有5個，海王星有2個，冥王星有1個。月球是地球唯一的衛星，與地球相距近，目前了解最多，這裏主要簡單介紹月球的地質特征。
1.月球的表麵地形、地質特征
月球的直徑大致是地球的3/11，質量約為地球的1/80，其地麵引力隻有地球的1/6。月球上沒有水體，因而也沒有河流、湖泊和海洋，全部為陸地；月球上也沒有大氣，基本處於真空狀態。因此，月球上沒有動物和植物，連細菌也難以生存。
月球上地形起伏，高差很大。它的地表形態（圖12.5）主要有：
（1）月海月海地勢低平廣闊，是月麵上大型的圓形盆地。因反照率低，平時肉眼觀察為暗黑色斑塊。已知的月海有22個，絕大多數分布在月球的正麵（向著地球的一麵）。月球正麵的月海，約占半球麵積的1/2。月海的直徑一般為數百公裏，最大的是風暴洋，直徑達1740km，麵積約5×106km。月海麵普遍比月球平均水準麵低，最低的是西海，深達6000多米。月海盆地周圍，大多為環形山圍繞，盆地內部也分布有不少山嶺。月海的成因一般認為與大規模隕石或小行星衝擊有關（見圖12.3）。
（2）月陸月海周圍的高地稱為月陸，是正地形單元，因反照率強，肉眼看去比較明亮。在月球的正麵，月陸麵積和月海麵積幾乎相等。但在月球的背麵，月陸麵積則大得多。月陸一般比月球平均基準麵高2000～3000m，地形起伏較大，還分布有高大的山脈。月陸形成的年代比月海要老。
（3）月坑月球上遍布環形的坑，稱為月坑。直徑小者幾米，大者超過1km。月坑總數在3萬個以上，其中直徑超過1km的月坑約占月球表麵積的7％～10％。月坑的深度自幾十米到6000m不等，但底部很平坦，其內側陡，外側較緩。一般認為月坑是由隕石（或小行星）撞擊而成的爆炸坑。
（4）山脈和峭壁月球表麵的山脈主要分布在月陸，山勢險峻，連綿延續，長可達數千公裏，一般高3000～4000m。最高達9000m，可與地球上的最高峰珠穆朗瑪峰相媲美。目前在月球上已發現高度在1000m以上的高峰300餘座，其中6座高度超過6000m，20座高達5000m，80座高達4000m。除山係外，月球表麵還發現四條長達數百公裏的峭壁。
月球表麵的褶皺構造不發育，主要是月海盆地內分布的堤形隆起。有的研究者認為，可能是由於岩漿侵入使上覆岩層向上拱起而形成的。
斷裂構造在月麵上較為常見，已發現有延伸數百公裏的深大斷裂及長200～300km的弧形斷裂。月球上的斷裂和裂隙，往往具有明顯的方向性，主要有北東-南西和北西-南東兩個方向。這兩組斷裂交叉發育，形成了格子狀構造。月球上斷裂的規模遠比地球上的斷裂小，這可能與月球體積小、自轉速度慢（比地球慢27倍）、構造活動弱有關。
2.月球的內部構造及物質組成
通過放置在月球表麵上的儀器對月震的探測，了解到月球的內部構造和地球一樣，具有三層結構，即月殼、月幔和月核（圖12.6）。月殼是月球最外麵一層，厚60～65km，大致以25km深度為界，分為上月殼和下月殼。上月殼主要由玄武岩組成，其頂部1～2km，為岩石碎塊和月壤；下月殼由富含斜長石的輝長斜長岩及斜長蘇長岩組成。65km以下為月幔，深度延至1000km深處，它們的物質大致與地球的基性岩和超基性岩（橄欖岩、輝石岩和榴輝岩）相當。月球的岩石圈將近1000km厚，包括了月殼和月幔。1000km至月心為月核，可能部分處於熔融狀態，大致與地球的軟流圈相似，其溫度為1000℃左右，據推測，由富含鐵的矽酸鹽組成。
（四）小天體
太陽係除了太陽、行星和衛星外，尚有許多小天體，包括小行星、彗星、流星體和隕石等。小行星是指位於火星和木星之間數以千計的石質天體，最大直徑1003km。彗星是一種質量較小、形態特異的天體，由彗核、彗發和彗尾組成，成分主要是碳、氫、氮、氧組成的揮發份，含有鎂、鐵、矽酸鹽岩石碎片和塵埃。流星原是繞太陽運動的小天體，受地球引力改變了軌道，穿過大氣時而發光，便成為流星。流星穿過大氣受熱燃燒，沒有燃燒完剩餘的部分掉到地麵就稱為隕石。
四、宇宙環境與地球演化的關係