大气圈和大洋的成因

如题所述

由于地球表面最初的大洋是由原始大气圈中的气态水在地表温度下降后冷凝形成的,其成因与大气圈成因有紧密联系。对于地球大气圈的成因曾提出过三类假说:积吸形成后的地球留住了的残留宇宙气体;地球外来气体,如彗星撞击带入的挥发分;以及地球脱气形成。现今地球脱气形成说已得到了广泛拥护,因为此说能与多方面的地球化学和同位素的证据相协调。但仍然有人继续在探索彗星撞击提供水的可能。

支持大气圈由脱气形成的重要证据为:40Ar的宇宙丰度相对于36Ar的宇宙丰度是极小的,地球的40Ar看来全部是地球岩石中40K放射性衰变的产物。因此,大气圈中的36Ar含量代表了原宇宙气体的残留部分,而40Ar的含量则代表由地球脱气产生的部分。地球大气的40Ar/36Ar比值接近300,表明现代大气圈中99.7%的Ar来自地球内部。地幔中N240Ar的比值接近于它们在大气圈中的比值,说明大气圈中的这两种元素具有共同的地幔来源(Marty,1995)。海盗空间飞船(Viking spacecraft)测得火星大气圈中的40Ar/36Ar比值为2750(Owen and Biemann,1976),这使人们相信火星也发生过内部脱气,只是火星大气圈的大部分物质现在已经丧失(Carr,1987)。

彗星可能曾是地球上挥发分的来源之一(Delsemme,1992;Owen et al.,1992;Fomenkova et al.,1994)。有的学者根据月球上的撞击坑对彗星撞击地球的速率进行了估计,经计算曾认为可能几乎全部的地球水由彗星提供(Chyba,1987),不过后来又提出彗星的高速撞击可能将部分挥发分又驱回宇宙空间,但净效应还会使彗星的水和挥发分在地球上有所积累(Chyba,1990)。总之,尽管地球挥发分的彗星来源不能绝对排除,但无疑这部分挥发分对形成地球大气圈和水圈的贡献不可能占很大比重。

虽然大气圈脱气形成说已为多数研究者所赞同,但对于地球强烈脱气开始前是否存在一个原始大气圈,还是一个有争论的问题。持否定意见者认为,处于积吸过程中的地球质量还小,其引力不足以防止一些质量较轻的气体分子自地球逃逸。对于H2、He及原子量较大一些的Ar、Ne、Kr、Xe等在地球上的显著亏损,就归因于当时地球的质量和引力较小。这也是原始大气圈为残留宇宙气体形成的假说被排除的依据。原始大气圈很可能由CO2、CH4、NH3、H2等组成,因为它们的分子量比Ar、Ne、Kr、Xe等的原子量低,所以即便地球能够产生早期的大气圈,它们也无法被保存(Krauskopf,1979;Mason and Moore,1982;Condie,1989)。至于这样的原始大气圈究竟是怎样丧失的,是什么驱动力或机制使之逃离积吸中的地球的引力圈的,仍然是未解决的问题。

以大气圈的地球脱气成因为基础,另一些学者主张脱气灾变性地发生于星子积吸形成地球的过程之中。他们提出了撞击诱发脱气形成原始大气圈的模型(impact-induced proto-atmosphere)。该假说的要点为:星子积吸形成地球的过程中,星子高速撞击使星子和成长着的地球双方温度和压力增高,导致两者的脱气,从而形成一个由撞击诱发表成的“蒸汽”大气圈。在积吸过程结束时,由于温度降低,这种“蒸汽”大气圈变得不稳定而凝聚成原始大洋,并估计当时大洋的规模几乎接近现代大洋(Lange and Ahrens,1982;Abe and Matsui,1988;Tajika and Matsui,1993)。

总之,迄今有关地球早期大气圈和大洋的地球脱气成因已经获得共识,但对于脱气发生的早晚、诱发机制等仍有不同意见。

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