2 地球動態

地球是一個真正動態的星球，活躍的火山作用、構造作用和大氣現象就是證據。自轉周期很短、質量很大的氣體和冰質外行星也有活躍的大氣循環和足夠產生磁場的核運動。一些行星盡管在太陽系歷史的早期曾經活躍過，但現在已經歸于死寂。其他一些行星只經歷了較小的地質和大氣運動。

內行星運動強度的差異與它們的質量和與太陽距離的不同有關。質量小的行星積聚的吸積能量很有限，而散失能量的速度卻比較快。像月球之類較小的天體，在地質時期開始的幾十億年間都是處于“冰凍”狀態的。水星離太陽很近，它的大氣全都被太陽引力剝去了。

很多更重的星球，如金星、地球和火星，在形成之初通過吸積以及長周期放射性同位素衰變獲得了更多的能量。所以，它們可以長久地保持相對高的地質和大氣活躍狀態，在金星和地球上，這些活躍的運動一直延續到今天。火星上的地質活動主要由風、冰河作用和大氣作用引起。

最初的外殼

在相對較早的時期，所有內行星發展出由硅酸鹽巖石組成的固態外殼。這些固態外殼是由行星幔層下的物質被擠壓形成的玄武巖火山巖組成的。地球的原始外殼曾經回歸過地幔很長時間。推測地殼原始外貌的線索來自地球最近的鄰居——月球，因為它的表面還保存著大部分古老的特征（月球的地質運動在20億年前就終止了）。

月球古老的高地外殼是由一種叫做斜長巖的火成巖組成的，斜長巖主要由硅酸鋁斜長石物質組成，這種巖石富含熔點很高的親石元素。這一厚的外殼似乎是約44億年前由一個富含鋁、鈣和硅的巖漿“海洋”結晶而成的。它經受著隕星和小行星的頻繁轟擊，這類轟擊一直持續到40億年前才停止，并在月球表面留下了巨大的撞擊盆地和無數的隕坑。它們大小各異，從只有幾米寬的微型隕坑到直徑達幾百千米的環狀構造都有。隕坑比受到撞擊時瞬間形成的穴要小一些，因為撞擊過后的減壓過程改變了該穴。

撞擊過程不僅產生了隕坑和盆地，而且還制造了大量被拋入空中的碎片物質。這些物質最終形成了外殼基部頂上的復雜而廣闊連綿的交錯層。這些相當碎小的表層物質形成了所謂的風化層。在地球上，該風化層變成了土壤。

地球早期外殼的成分和月球外殼的成分是不同的，地殼可能含有更豐富的鐵和鎂，而高溫硅酸鹽的含量相對低些。地殼是由持續流出的高溫液態巖漿構成的，這類巖漿一般與火山有關。在流出物剛結晶時，地殼很薄，巖漿很容易就能穿透脆弱的地皮。隨著時間的推移，地殼表層逐漸疊加起來，巖漿就不容易突破地皮了，爆發就集中在了地殼比較薄弱的地區。

盡管有早期地球大氣的遮蔽，地球地殼還是和月球表面一樣，遭受著各種天體的頻繁撞擊。像月球一樣，地球表面的巖石被擊碎，并包含形成于高壓下的硅酸鹽礦物，如柯石英。隨后，由于板塊構造運動，早期地殼進行“再循環”，能移動洋底及大陸，將地殼表層向下推，使新物質被向上推，這個過程在今天的地球上還在繼續。由于物質被再循環，因此巖石圈的大小一直保持恒定，它沒有膨脹也沒有收縮。

其他內行星的原始外殼也和地球差不多，但和地球不同的是，它們的外殼上都保留著大量的撞擊痕跡。在水星、金星和火星上，最古老的隕坑地區已經被年輕的火山平原（坑間平原）部分湮沒了，這說明在主要隕坑形成階段結束后，廣泛的火山活動仍然在持續進行。金星外殼上的小撞擊隕坑數量遠比水星和月球表面的隕石坑要少，這是因為金星濃密的大氣具有屏障作用，進入大氣的較小隕星都會在其中燃燒殆盡。

地球和金星的外殼從來沒有厚到足以阻止巖漿從內部抵達地表的程度。然而，較小的行星最終能夠達到一點，使它們的外殼厚到足以阻止進一步的火山噴發現象。到了那個時候，受內部運動影響而產生的地表變化也會停止。月球和水星就被認為處于這種地質死亡階段。

火山

火山地區主要集中在構造板塊（巨大塊移動的地殼）的邊界地帶。在板塊分裂地帶，譬如在洋中央，巖漿和氣體會從海床巖石的裂縫中逃逸出來并形成新的玄武巖海底地殼。在亞海洋脊露出海平面的區域，火山可以制造新的島嶼。

海洋玄武巖的硅含量比較低，這意味著它很容易液化并流失。另一種性狀很不同的巖漿發現于一板塊沉入另一板塊下面的兩構造板塊碰撞區域，比如太平洋的西部海岸沿線。在這一地區，巖漿一般都富含硅酸和氣體，并具有黏性，它釋放的方式一般伴以劇烈的爆炸，正如圣海倫火山（美國境內）和皮納圖博火山（菲律賓境內）發生的一樣。這些火山呈傳統的錐形，它們是由熔巖和火山碎屑巖——由火山噴口噴出的顆粒組成——組成的。危險的地下氣體混合物、熔巖和火山碎屑可能順著火山側面瀉下，掩埋或窒息途中所遇到的任何東西。這些熾熱火山云是致命的，就像在火山爆發后（特別是在熱帶地區）受風暴和暴雨引發形成的火山泥流一樣。

地球上一些體積大但最不危險的火山一般位于所謂的熱點處，熱點是比平均地幔物質更灼熱的上升“地柱”。這些巨大的盾狀熔巖火山擁有平緩的坡面，在夏威夷群島上，這類火山上升到海床以上10千米處，直徑甚至超過100千米。火星和金星上的一些盾狀熔巖火山比地球上的要大10倍以上。

盾狀構造的形成與流體玄武巖巖漿有關，這些巖漿的流動速度很快、流量也很大。在火星上，單個的巖漿流可以達到300千米長、50千米寬，巖漿能以每秒高達100萬立方米的速度被噴出。在地球上，由于板塊運動，單個盾狀火山可以在它底下的地柱移走之前持續生長200萬年。在火星和金星上，熱點會使同一個火山持續生長幾億年，并使它達到巨大的尺寸。地球板塊邊緣典型的火山和地震活動劇烈的狹窄帶狀區域在其他行星上是沒有的。

地震

動態的行星以其內部運動為標志，在地表上則表現為火山運動、板塊構造運動及地震。這些運動在其他方面意義重大：地震波在地球內部的傳播使地質學家能夠探測地球難以接近的區域。通過這種探測，地質學家能推斷出地球有層狀結構。其他內行星的結構也是如此。人類也已經對月球和火星進行了簡單的地震研究。

每當上升的巖漿替代地殼的巖石或脆弱的巖石解體時，超聲波或地震現象就會產生，它們在地球內部的傳播速度與傳播介質的密度成比例。這些震動能夠被一種叫做地震儀的精密儀器記錄下來，目前，全球各地已經設置了一系列的地震儀用來記錄發生的地震。

并不是所有的地震波都是一樣的。P波（初波或壓力波）是壓縮類型的波，它在固體、液體、氣體中以“推-拉”的形式運動。這類波影響到的每個分子擾動都會使原子偏移約10-3米遠。相反，S波（橫波）為切變運動，它的傳播速度是P波傳播速度的60%，它只能在固體中傳播。

當地震發生時，地震波就從震源處發射出來，處于震源正上方的地表點叫做震中。地震的強度以里氏震級來衡量，最大為9級。地震觀測站是根據P波和S波到達該站的不同時間來確定震中位置的。要確定震中位置至少需要三個地震觀測站的記錄數據。

通過研究地震波在地球內部穿越時的反射和折射，科學家就可以推測地球的內部結構。只要將P波和S波的速度按深度的不同標示出來，人們就可以清晰地看到在深度為100千米左右的地方它們的傳播速度開始下降，這主要是軟流圈的作用。在100千米～700千米深之間，地震波的傳播速度又逐漸上升，但是偶爾會有幾處它們的速度又急劇“起伏”，這表明由于巖石化學成分和構造狀態的差異而產生了地震不連續。在700千米以下直到2885千米之間，傳播速度再次平穩上升，最終S波消失，而P波的傳播速度也大幅下降。P波在偏離震源103°～143°內創造了一個陰影區，這標志著地核外核與地幔的邊界，該邊界有時候被稱為古登堡不連續界面，因為它是在1909年由德裔美國地質學家本諾·古登堡發現的。S波的表面表明外核是液態的。

莫霍洛維奇不連續面（簡稱莫霍界面）的位置在P波速度突然變化的區域，它一般位于海洋地殼以下7千米處和大陸表面以下40～70千米處。它是地殼和地幔的分界面，該分界面的巖石類型有一個變化。莫霍界面以下的巖石類型主要是橄欖巖，而在該界面以上，海洋地殼主要是玄武巖，大陸地殼巖石的成分則和花崗巖類似。在地幔內部400千米和670千米深處還有兩個地震不連續界面。這兩個界面是由于壓強增大引起的相變帶來的，相變會對那里的礦物的結構造成重大影響。地核本身被認為與鐵質隕星的成分是一樣的。

20世紀70年代放置在月球的阿波羅地震儀對月震的研究顯示：月球朝向地球這面的外殼厚度有60千米左右，但是背著地球那面的外殼厚度卻可能達到120千米。月球的上幔層是固態的，但下幔層可能是部分熔融的。月球小而富含鐵的固態核被認為位于約1500千米的深處。

大氣

包覆著行星的氣體形成了該行星的大氣。最早的地球大氣是由從地球內部逃逸出來的氣體和彗星帶來的氣體組成的，按含量從多到少，這些氣體分別是甲烷、水、氨和硫化氫。水分子在太陽能的作用下分解為氫（向太空逃逸）和氧（它們與甲烷作用，形成二氧化碳）。二氧化碳與硅酸鹽發生反應形成碳酸鹽，并從空氣中析出。如果這種大氣中的碳不被固定住（可能是被地球海洋中的水固定住了），那么大氣的演化可能會呈現出完全不同的狀態。大約35億年前，細菌開始在地球上進化，它們開始通過光合作用吸收二氧化碳中的能量，并釋放出副產品——自由氧。

在現代地球大氣中，氮含量是最多的，約占了全部大氣的80%，余下的20%主要是氧。盡管水蒸氣、二氧化碳和臭氧的含量相對很少，卻至關重要，因為它們能夠吸收紅外線輻射并進而影響大氣和地表的溫度。

行星大氣成分的變化可以導致平均溫度的升高或降低，從而使其氣候發生變化。今天人類的活動與自然大氣的變化關系密切，它改變了大氣平衡并使地球溫度升高。

云層對維持太陽輻射（進入地球）和熱輻射（逃離地球）水平之間的微妙平衡起著相當重要的作用。無論何時，地球表面約有一半都被云層覆蓋著。相反，金星表面則全部被云層覆蓋著，外流的長波輻射不能穿透該云層，因此金星表面就因無法控制的“溫室效應”影響而不斷升溫。火星大氣就比較稀薄而且云層覆蓋范圍也很小。在這種條件下，外流的輻射就很容易逃逸，因此火星表面的溫度很低。

地球大氣主要可以分為四層，這是因太陽熱量分布不均引起的溫度和氣壓的變化導致的。靠近地表的三層溫度最高：最靠近地表的是對流層，可見光輻射和紅外線輻射會在該層被吸收；地表以上50千米處是同溫層，在這一層，臭氧會吸收紫外輻射；第三層位于幾百千米的高空處，叫做電離層，在這里光電離作用會吸收紫外輻射。

地球上的云層系統和天氣系統是大氣和海洋相互作用的結果。風會將這些系統移動很大的距離，有時形式甚至相當劇烈。絕大多數的天氣現象發生于對流層（從地表以上至11千米的高空）。對流層和同溫層之間的分界面叫做對流層頂。

由于火星上沒有海洋，因此它的稀薄大氣層的運動相對于地球而言就簡單多了。火星大氣成分的90%是二氧化碳，但火星極地冰蓋和亞表面巖石中卻含有相當可觀的水。由于沒有臭氧層，紫外輻射分解了火星大氣中的水蒸氣和二氧化碳。

金星大氣實際上全部是二氧化碳，且其表面的壓強是地球表面壓強的90倍。盡管金星大氣上層的云循環很活躍，但是下層有可能是相當平靜的。金星上可能曾有過一個海洋，但溫室效應使大量的水（也許相當于地球海洋水分的1/3）被蒸發了。水星可能從來就沒有過大氣和海洋，它的表面氣壓非常低，幾乎接近真空。

外行星的大氣大多是由氫化合物組成的，它們的自轉速度很快。外行星赤道和兩極之間相對較小的溫差說明了它們的熱傳遞過程和地球上的是不同的。和其他巨行星不同，木星有一個內部熱量源，它并不依靠相當弱的太陽輻射來為其提供熱量。

海洋

地球上的海洋和大陸在地質上存在著很大的差異，海洋位于低處并充滿了水，這種特征是構造板塊運動引起的。海底有呈線形綿延的海底山脊和深海溝，它們被深海平原隔開。海洋地殼形成于背離型板塊邊緣地區，最終消彌在會聚區。板塊“再循環”很快，因此能夠確保現代海床中海洋地殼的年齡不超過2億歲。

海洋地殼的平均密度大約是3.1克/厘米 3，它被沉積物覆蓋著。上部2.5千米厚的地殼是由玄武巖組成的；更粗糙的輝長巖層位于玄武巖之下，厚度達5千米。再往下是密度更大的巖石薄層，然后就是地幔了。

海底沉積巖的年齡超過35億歲，這證明海洋至少也和最初的大陸一樣古老，那時，地球外表面一定已經存在注滿了水的盆地，這些水最初來自火山釋放的氣體和水蒸氣。今天，海洋的覆蓋面積占了地球表面面積的2/3，而在過去，因為早期大陸很小，所以它的覆蓋面積所占比例應該更大。

海水中包含了一系列的化學元素，主要有氯化物、硫酸鹽、鈉和鎂，其次則是鈣和鉀。海水的鹽度（3.3%～3.8%）在廣大的海域中幾乎是不變的，只有在靠近冰蓋的地方才有所不同。海水代表的是不同稀釋度的標準溶液，它的鹽分來自風化的大陸巖石，這些風化的巖石由河流帶入海洋。早期的海水可能比今天的海水淡，因為古代（特別是在太陽系形成的最初10億年間）的大陸比較小，因而供應給海洋的鹽分也相對較少。

海洋鹽分的另一來源是熱液噴泉，這是潛水研究船“阿爾文號”新近在海底山脊處發現的。在這些地區，水穿過新形成的地殼，帶走水中鐵、錳、鋰和鋇中的所有鹽分。這些地區甚至還是大量硅、鈣以及二氧化碳的發源地。

海洋中的二氧化碳是海水和大氣交換的結果，如果在空氣中增加二氧化碳，那么將近一半的二氧化碳將被海洋吸收。一旦進入海水，二氧化碳就會和碳酸及碳酸鹽離子保持平衡。在深約5千米以上的海水中，碳酸鹽都會趨向于沉淀，而在該深度以下則不會。這使得有機體能利用碳酸鹽在淺海形成它們的甲殼，而不必擔心碳酸鹽的耗竭。

海水的密度由鹽度和溫度決定，密度的不同則導致了大洋環流。通常，海水的溫度越低，密度就越高，但在4℃時密度是最大的。從海面到100～200米深的地方，海水被太陽加熱并被風和浪攪動著，在這個深度（溫躍層）以下，溫度通常會急劇下降2℃～4℃。現代地球大洋環流模式主要是南極冰川的交替融化和凍結使得南大洋的溫度和鹽分產生差異造成的。

早期大陸

今天的地球大陸覆蓋了地球表面30%左右。大陸巖石的密度比海床巖石的密度低，它們“浮”在較重的地幔巖石上。大陸地殼的厚度為20千米到90千米不等，包含主要山系的地殼最厚。經測算，最古老的大陸山丘的年齡是39億歲。大陸區域的結構遠比年輕的海洋地質構造復雜。大陸中心區域最古老，越往邊緣地帶就越年輕。

克拉通穩定地塊，也就是地盾，存在于絕大多數大陸的中心區域，它們由受花崗巖侵入變形的變質巖組成。克拉通穩定地塊是古老山脈的遺留物，它們被穩定臺地包圍，在該處有一層厚厚的水平沉積巖在克拉通地塊巖石上堆積起來。鄰近該穩定臺地的區域是年輕的構造帶（或叫造山帶）——兩大大陸板塊碰撞形成的線形壓縮褶皺山脈，它也可以指大陸板塊和海洋板塊碰撞形成的山脈，如南美的安第斯山脈。

大陸的發展并不是一蹴而就的，它可以分為幾個階段：約10%的大陸地殼形成于距今38億～35億年前的太古代；60%形成于29億年～26億年前；還有30%則是在元古代晚期（19億年～17億年前和11.9億年～9億年前）和顯生宙時期（始于大約5.9億年前）的大型造陸運動階段中形成的。

沒有人能確定最早的大陸地殼是怎么形成的。地質化學研究表明部分熔融的海洋地殼制造了一個“原始地殼”，它與周圍的海洋物質不同。在地幔內部的強勁對流運動和隕星撞擊的作用下，“原始地殼”進行了不斷的再造。這一過程中產生的早期大陸非常小。

對大陸發展的另一種解釋就涉及海洋地殼內的俯沖帶，俯沖帶是指兩大海洋板塊相撞、其中一塊撞入另一個板塊下面并引起地殼巖石熔化和火山產生的地區。通過這種活動，新的巖石就被制造出來，并形成弧形列島。像這樣由比海床密度稍低的巖石組成的地質結構也許就是早期大陸的中心地盾，但現在還沒有確切的證據證明就是它們形成了最早的大陸地塊。

更新的觀點認為，大陸的增長是板塊運動的結果，最重要的形式是海床的擴張，它引起了大陸形狀和位置的變化。然而，在地殼很薄的太古代時期，事情的發展也許會有很大的不同，因為那時地球的內部更熱，地幔的對流也相當激烈。似乎當時的大陸更小但數量眾多，而板塊則更薄，也更容易發生變形。

金星是所有行星中唯一可能存在和地球相似的大陸地殼的行星。事實上，被稱為特瑟磊的變形巖塊很可能是由來自玄武巖平原的不同巖石組成的。這些巖石似乎橫向移動過。

冰川

地球歷史的很多時期都遭受著冰川作用，在這些時期，來自極地的巨大冰層會覆蓋陸地和海洋。每塊大陸的巖石中都留下了冰川的印跡，這給嘗試了解地球歷史的地質學家們提供了重要的線索。

冰川期并不會持續寒冷，寒冷期會被溫度高得多的間冰期打斷。現在人類就是生活在一個間冰期，它已經接近更新世冰期（開始于大約1000萬年前）的末期。大約1萬年前，冰蓋退到了它們現在的位置。

目前已知最古老的冰川沉積物發現于加拿大的休倫湖附近，有27億年到18億年歷史的3層冰川沉積物覆蓋了12萬平方千米的廣大地區。這些冰川沉積物被形成于溫暖間冰期的沉積物隔開。冰磧巖和冰磧沉積物是可以展示出冰川作用特征的典型巖石，而與之類型相似、年齡相仿的巖石在澳大利亞北部地區和非洲東南部地區也曾發現過。

在9.4億年以前發生的大規模冰川作用人類已經無法考證，但我們已經知道，在7.7億年到6.15億年前，冰川作用時有發生。而在前寒武紀時期以后，顯著的冰川時期主要發生于奧陶紀末期和二疊-石炭紀；從那以后到最近的更新世冰川期到來之前，是一段很長的間隔期。

冰川期巖石保存在大陸——例現在比較干燥、緯度較低、氣候炎熱的澳大利亞和非洲北部——的巖石序列中，因此顯然可以看出，這些大陸的位置曾經發生過變動。例如，二疊-石炭紀的冰川作用影響了當時存在的整個“超級大陸”，即泛古陸，結果，泛古陸就分裂為岡瓦納大陸（南部大陸）和勞亞古大陸（北部大陸），之后它們又進一步分裂為今天的大陸。過去冰川作用留下的痕跡使地質學家能夠推斷出該大陸相對其他大陸和極地移動的方式。

盡管地球已經持續降溫了6000萬年，但是現代冰期僅開始于約2000萬～3000萬年前，南極洲移動到現在的位置標志著這段冰期在南極的開始。在那個時期，南極洲還沒有現在這么厚（2.4千米）的冰雪覆蓋層，該覆蓋層是自那以后才逐漸形成的。

現代冰期在200萬～300萬年前發展到了頂峰，在該時期，人類開始進化，這暗示著嚴酷和劇烈的氣候變動會促使進化朝著選擇更有智慧的生物的方向發展，這些生物能夠“思考”生存的方法，而不是僅僅依靠本能。

冰期的地表并不是始終覆蓋著冰層，相反，冰川作用經常會被氣候溫暖的間冰期打斷。最近的冰川期始于12萬年前，并持續了10萬年以上。

盡管我們仍然處在現代冰期，但我們正享受著不同尋常的穩定間冰期。這一間冰期已經持續了1萬年，但沒有人知道地球氣候離變回寒冷還有多少時間。

影響全球氣候的因素有很多，并不是所有的因素都是循環的或周期性的，有些因素比另一些因素的影響要大得多，但是所有的因素都能導致冰期的出現。

首先，板塊構造使得大陸漂移，大陸所處的位置影響全球暖流的運動，而暖流的全球性運動被科學家比作地球的中央暖氣系統。該系統被稱為全球傳輸帶，如果大陸的移動改變了水流的運輸模式，全球的暖流就會陷入混亂，一旦從赤道傳向高緯度地區的熱量減少，冰期就會到來。

其次，造山運動會破壞大氣環流的模式，這會和板塊運動一樣對海洋環流造成影響。例如，在過去的1500萬年中，以喜馬拉雅山脈和青藏高原為代表的全球大陸平均上升了600米，這可能促使現代冰期的到來。

再次，大氣中的二氧化碳含量也會影響全球的氣候。對南極洲冰核的分析讓科學家了解了整個地質時期的大氣中二氧化碳含量的變化，該分析表明大氣中二氧化碳的缺乏與冰期的形成有著緊密的聯系。在二氧化碳含量很高的時期，“溫室效應”便會使地球變熱、冰川消融。越來越多的科學家認為，由于現代人類活動向大氣排放了大量的二氧化碳，它的含量最終會大大超出自然水平并導致極地冰蓋融化。融化出來的淡水會將全球傳輸帶完全切斷，從而使地球進入另一個冰川期。

盡管上述三種因素不是周期性的重復事件，但還是有大量的數據表明幾百萬年前的冰期就是由這些因素引發的。只不過由于地球運轉軌道的循環變動使得地球接收的太陽輻射量增大，才度過了冰期。

20世紀30年代，塞爾維亞科學家密爾頓·米蘭柯維奇提出：地球軌道的三個重要變化導致了冰期的產生。第一個變化是：地球軌道在10萬年內逐漸從正圓變為橢圓，再從橢圓變為正圓。第二和第三個變化是：地球自轉軸的傾斜度從24.5°變為21.5°，并繞圈擺動（移動）。地球軌道的傾角（傾斜度）變化周期為4萬年，歲差2.3萬年。三者結合就造成了地球接收到的太陽輻射量和接收太陽輻射地區的復雜的變化循環。這三大變化與最近的冰期冰蓋的前進和后退有很大關系。

此外，與自然作用等效的核冬季也會引起全球溫度的變化。核冬季是指核戰爭時向大氣中吹入的塵埃云團，這些塵埃會擋住陽光，引起全球的溫度急劇下降。類似的情形可以從大范圍的火山爆發和彗星或小行星的撞擊中想象出來。因此，這樣的事件也可以引發冰期的到來。