长安大学地球物理学原理-第3章-地球的年龄

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1、地球物理学原理主讲教师：王卫东、马见青长安大学地测学院放射性未发现前的年龄估计放射性元素和放射性测年原理地球的年龄地质年代划分与地质年表第三章地球的年龄第三章地球的年龄佛教的轮回观：地球的年龄是无限大的，因为已经过无限次的轮回。天主教根据圣经认为地球是很年轻的，约被创造于4004BC。宗教与神话的臆测第三章地球的年龄大多数科学尝试的基本原则需是经由自然过程所造成的改变；此改变需以等速度进行；需于地质上留下可循之记录。第一节放射性未发现前的年龄估计1.潮汐摩擦法假设月球与地球曾经靠得很近,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

2、吸引力和对地球固体的吸引力不同,引起海水和地球固体的相对运动,形成潮汐摩擦,导至地球自转速度的变慢。若将月—地系统近似看作一孤立系统,则系统的角动量应守衡。当地球转速减小,角动量减小时,要求月球的角动量增加,只有增大与地球的距离。因此,随地球自转渐变慢,月球与地球的距离在逐渐增大。据杰弗瑞斯计算,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4109年。显然,这个年龄应是月球的年龄。地球年龄应当比月球年龄大,地球年龄至少在4109年以上。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虽然与下面将介绍的放射性同位素方法

3、所得的地球年龄接近,但它依赖一定的地—月形成的假说。月－地距离变大：目前，月亮以3.7cm/yr的速度远离地球。2.宇宙膨胀法天文观测表明,星云光谱向红色方向移动,称为“红移”。对于红移的解释之一是,星云正以极大速度彼此分离(或称“宇宙膨胀”),从而发生使光波变长的多普勒效应。星云总是远离地球,星云的后退速度与它和地球的距离成正比。现在已知距离地球31021km的某星云,其后退速度约为2104km/s,根据太阳系起源的星云假说,认为星云原来是挤在一起的,由于某种原因而瓦解,其中瓦解出来的一块就是太阳星云。那么,假定星云后退速度均匀,可以算

4、出从太阳星云与原始星云分离至今的时间约为5109年。这种估计年龄的方法称为字宙膨胀法。显然其结果是太阳星云的年龄；若不考虑从太阳星云演化出太阳及其行星的时间,也可近似作为太阳和其行星的年龄。有人把它看成地球的天文年龄,或称为地球年龄的上限。显然,这也依赖于一定的太阳系起源假说。3.盐的迁移法1899年乔利(Jolly)利用盐的迁移计算海洋年龄,从而推断地球年龄。乔利认为,大陆上的河水通过对地表岩石的侵蚀,不断溶解岩石中的盐,盐就和河水一起进入海洋。如果知道现在海洋中的总盐量,并假定盐的迁入速度恒定,则可计算盐的输送时间。一般假定输送之前,海

5、洋未含盐,所得时间可以叫海洋年龄。乔利算出的海洋年龄为9107年。如果认为地球形成时,就开始这样一个盐的迁移过程,那么,所得时间即地球年龄。显然,这个估算存在很多疑问：盐的输送速度恒定吗？海洋中的盐,除河水溶解的盐输送来的成分外,海洋沉积物中的盐如何估计？如果考虑海陆变迁,盐经过多次反复循环,应如何计算？这些问题,是在利用盐迁移计算海洋年龄中不能回避的。要回答这些问题,又涉及海洋演化等许多重大基础理论问题。因此,不同作者所得海洋年龄相差很大。4.沉积年龄法如果知道地球上沉积的总厚度,又知道每年沉积增加的厚度,也可以估计出从沉积开始至今的年龄

6、。这个年龄被称为沉积年龄。如果认为地球形成时就存在海洋及海洋沉积过程,那么,这个年龄就是地球年龄。有人估算出,这个年龄为2.5108年。不过,怎样给出全部沉积厚度和沉积率呢？这两个量因时因地而异。这样估计出的年龄,只能反映某个地区的沉积年龄。此外地质学家还采取了许多其它地质过程估计地球年龄,但一般都偏低很多。5.开尔芬的热传导法1862年英国物理学家开尔芬利用热传导原理计算地球年龄。开尔芬假定地球有个熔融的原始地壳,由外往里逐渐凝固。地壳的温度梯度由其上下两面的固定温度差(即岩石的熔点减地表温度)确定。当地壳增厚时,温度梯度减小。这样,按照

7、地壳热传导理论可以计算地表热流和凝固速率。开尔芬计算了地球从开始冷却到目前地表热流状态历经的时间。开尔芬认为,这个时间就是地球的年龄。L.Kelvin求解无热源时，半无限空间中的热传导问题。对于全空间，有:其解为:通过迭加，可以求得半空间问题的解。设x=0为半空间的表面，介质伸展于x＞0。没表面温度为TS，初始温度为T=f(x)。若初始温度是一常数T0，则其解为：可得地球年龄为：开尔芬得出的地球年龄约为(2-40)107年。他认为,自己这个方法的唯一困难在于初始温度不好确定。开尔芬计算值偏小的主要原因：第一，地球的热历史主要不是热变冷的简单

8、过程，而是从冷变热、又从热变冷的过程；第二，地球的热源主要不是原始热,而是放射性衰变热；第三，地球热量的主要传输方式不是热传导，而是热对流。至于地球的温度初值等参数