海洋地质学

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第1章 海洋、地球和宇宙起源
　　海洋地质学作为地质学一门重要的分支学科，是研究被海水淹没部分的地壳的物质组成、地质构造和演化规律的学科，研究内容涉及海岸与海底的地形、海洋沉积物、洋底岩石、海底构造、大洋地质历史和海底矿产资源等。它是地质学的一部分，又与海洋学有密切联系，是地质学与海洋学的边缘科学。海洋覆盖面积约占地球表面积的71%，是全球地质构造的重要组成部分，也是现代沉积作用的天然实验室。海底蕴藏着丰富的矿产资源，是人类未来的重要资源基地，同时海洋环境地质和灾害地质直接关系到人类的生产和生活，海洋地质调查还是海港建设、海底工程和海底资源开发的基础。因此，海洋地质学是理论与实践紧密结合的一门学科。海洋的起源与地球起源密切相关，近两个世纪以来，有关海洋起源与演化问题的知识人类已取得很大进展。“物类之起，必有所始”，万物起源是自然科学永恒的主题和科学研究前沿，海洋和地球起源是宇宙演化到一定阶段的必然产物。
　　1.1 宇宙的起源
　　宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体，是空间和时间的总和。一般理解的宇宙指我们所存在的一个时空连续系统，包括其间的所有物质、能量和事件。宇宙是如何起源的？空间和时间的本质是什么？这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辨，而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。
　　关于宇宙的起源有诸多假说，其中有盖天说、浑天说、宣夜说、地心说、日心说、大爆炸说、稳态说，等等。前五种宇宙起源假说随着科技的进步逐一被推翻，到今天主要流行大爆炸说和稳态说两种假说，目前被大多数科学家所接受的是大爆炸说。
　　大爆炸说是勒梅特于1927年提出的，由美籍俄裔天体物理学家伽莫夫于1946年将爱因斯坦的广义相对论融入宇宙理论，创建了宇宙大爆炸理论，该理论认为宇宙曾有一段从热到冷的演化历程（图1.1）。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀的演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆炸。根据宇宙大爆炸理论的观点，爆炸前，宇宙所有能量和物质都浓缩为一个奇点（质点），大爆炸的整个过程大概是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿℃以上，物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质，但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿℃左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万℃后，早期形成化学元素的过程结束（即元素合成理论），宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，电磁辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。
　　图1.1 宇宙大爆炸理论示意图（Marov，2015）
　　宇宙大爆炸理论虽然获得国际多数学者支持，但在一些根本问题上并没有公认的结论。关于宇宙大爆炸各种模型的提出和探讨，势必涉及时空是否永恒存在等一系列根本的哲学思想问题。最新的研究揭示宇宙起源于137亿年前的大爆炸，空间膨胀速度比光速还快，因此暴涨理论是其理论的最新发展。
　　1.2海洋与地球的形成与演化
　　地球隶属于太阳系，而太阳系仅仅是宇宙众多星系中的一个。关于地球起源问题自18世纪中叶以来也同样存在多种学说。目前较流行的说法是，原始地球的形成首先是星子聚集成行星胎，然后行星胎再逐渐增长，原始地球就是由组成均一的陨石构成的星子均一堆积而成的均一体。大约在46亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，温度较低，轻重元素浑然一体，并无分层结构。原始地球一旦形成，有利于继续吸积太阳星云物质使体积和质量不断增大，同时因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度。当原始地球内部物质增温达到熔融状态时，密度大的亲铁元素加速向地心下沉，成为铁镍地核，密度小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。从此，行星地球开始了不同圈层之间相互作用，以及频繁发生物质和能量交换的演化历史。
　　其中，在地球演化的早期，由于不断受到外部星云的碰撞，加上内部放射性元素的蜕变，原始地球不断地加热增温。于是在重力作用下，重者下沉并趋向地心集中，形成地核；轻者上浮，形成地壳和地幔。在高温下，内部的水分汽化与气体一起冲出来，飞升入空中，受到地心引力作用，在地球周围成为气水合一的圈层。位于地表的一层地壳，在冷却凝结过程中，不断地受到地球内部剧烈运动的冲击和挤压，有时被挤破便发生地震或火山爆发，喷出岩浆与热气。
　　在很长的一个时期内，天空中水气与大气共存于一体，浓云密布，天昏地暗。随着地壳逐渐冷却，大气的温度也慢慢地降低，水气以尘埃与火山灰为凝结核，变成水滴，越积越多。由于冷却不均，空气对流剧烈，电闪雷鸣，狂风暴雨，汇成滔滔洪水，通过千川万壑，聚集成巨大的水体，这就是原始的海洋。原始的海洋不同于现在的大洋，现在的大洋有大洋岩石圈地幔作为海底，原始海洋的海底就是原始地壳（不分洋壳和陆壳），而且没有岩石圈地幔，没有板块构造，最老的锆石的氧同位素研究表明地球的海洋可能出现于4400Ma 以前。原始的海洋的海水不是咸的，而是酸性、缺氧的。水分不断蒸发，反复地形云致雨，重又落回地面，把陆地和海底岩石中的盐分溶解，不断地汇集于海水中。经过亿万年的积累融合，才变成了大体均匀的咸水。
　　同时，由于大气中当时没有氧气，也没有臭氧层，紫外线可以直达地面，靠海水的保护，生物首先在海洋里诞生。最早的生物应当是名为蓝藻的类群，它们进化出能够进行光合作用的特性。它们在海底形成巨大薄层，有时也会形成被称作叠层石的层状堆积，它们属于最早的化石，能够追溯到大约3500Ma 前。藻类及部分细菌不断进行光合作用，制造了大量的氧气，开始出现一些具有真正细胞核的真核生物，如原始海绵和类水母生物。随后部分生物才开始登上陆地。总之，经过水量和盐分的逐渐增加，以及地质历史上的沧桑巨变，原始海洋逐渐演变成今天的海洋。
　　当今的海洋作为巨大的盆地是由大陆裂开与扩张而成的，在漫长的地质历史过程中，海洋盆地反复开启并扩张，同时也不断地关闭和消亡。这种过程具有旋回性和周期性，地质上称为威尔逊旋回（图1.2）。这是由加拿大学者威尔逊提出的海洋演化理论模式，他认为从大陆分裂到大洋形成，再从大洋收缩到大洋关闭和消失，构成连续演化的过程，这一过程又具体可以划分为以下六个阶段。
　　图1.2 威尔逊旋回模式（徐备和张立杨，2017）
　　（1）胚胎期：如东非大裂谷的形成阶段。大陆受到引张，地壳及岩石圈变薄，地表张裂，形成大规模地堑或地堑群。地堑型盆地中堆积了河流、湖泊、冰川等成因的沉积物；同时沿着断裂有广泛的火山活动，具体表现为从地幔中分熔的岩浆涌出后形成的碱质成分高的火山岩。
　　（2）幼年期：如红海的形成阶段。大陆继续引张，岩石圈进一步变薄至断开，在岩石圈的断开处由分熔的地幔物质开始形成洋壳。当大陆在拉张作用下完全裂开，裂谷增宽，深陷的谷底涌进海水时，就成为幼年海洋，这种初成的海洋，是一种海湾式的狭窄盆地。
　　（3）成年期：如大西洋的形成阶段。断开的岩石圈进一步扩张，形成广阔的大洋。大洋的中部为洋脊，大洋两侧对称地发育了稳定的大陆边缘，堆积了巨厚的海相沉积物质。
　　（4）衰退期：如太平洋的形成阶段。沿着稳定的大陆边缘与洋底的交接带，岩石圈发生断裂，断裂的一侧为大洋岩石圈块体，另一侧为大陆岩石圈块体。沿着断裂带前者向后者发生俯冲，遂形成火山岛弧。此种过程的发生是因为洋壳从洋脊轴部生成后，在数亿年的扩张过程中已不断失热、变冷、变重；而稳定大陆边缘被巨厚沉积物覆盖，地内热不易散失，因而这里的岩石圈不断受到热膨胀变轻。在密度和岩石力学性质不同的两相邻的岩石圈块体之间，就可不避免地产生断裂，密度较大且刚性较强的大洋板块便向密度较小且刚性较弱的大陆板块下面俯冲。
　　（5）终了期：如地中海的形成阶段。大洋板块进一步俯冲，使海洋进一步收缩，成为残留而狭窄的洋盆。在海沟附近，部分洋壳物质被刮削下来逐渐堆积成为楔状地质体，称为增生楔。这时继续伴随有强烈的火山作用及地震。
　　（6）遗痕期：如喜马拉雅山的形成阶段。海洋消失，大陆相碰，使大陆边缘原有的沉积物发生强变形，隆起成山，并出现广泛的地震、岩浆活动及变质作用。随着人们对海洋认识的加深，以及科技手段的不断发展，海洋演化的研究方法越来越多样化，对于海洋的演化认识与预测也愈加精确化。目前研究海洋演化的方法有海洋生物研究、海洋地质方法、海洋化学法、海洋物理法、海洋光学法等，为海洋演化提供了强有力的技术支撑。
　　复习思考题
　　1.谈谈关于宇宙起源的假说，并说出大爆炸理论的要点。
　　2.试归纳其他关于宇宙起源的假说，比较各自的优势与弊端。
　　3.学习海洋的起源与演化过程，了解最早的生命物质来源。
　　4.掌握威尔逊旋回的定义、主要阶段划分及每个阶段的主要特点。
　　第2章海洋地貌及地球结构
　　地球上的海洋和陆地总面积约5.1亿km2，地表主要由两个面积较大的地形组成，一是大致位于海平面附近并在其以上的面积约1.49亿km2的陆地部分，约占全球总面积的29%；二是位于海面以下的面积约3.62亿km2的海洋部分，占全球总面积的71%。其中，水深大于4700m 左右的大洋区为大洋盆地，这是海洋的主体。地球上的陆地相互分离，而海洋则连成一片。在地表之下的地球内部，同样有着许多标志性的特征，相对于直接进行观察研究的地表属性，地球内部构造进行直接研究是很困难的，目前最深的钻井也只能达到地下11km。因此了解海洋和认识地球内部物质组成最主要的方法就是地震波分析方法，能间接了解地球内部构造及其物质状态。
　　2.1 地球的内部圈层结构与组成
　　地球是一个近似于核桃状同心圈层的非均质体，以地球固体表面为界分为内圈和外圈。地球固体表面以上，根据物质形状可以分为大气圈、水圈和生物圈。大气圈即地球外部的气体包裹层，由包围在地球最外面的气态物质组成，这一圈层分布在地面以上高达2000～3000km 的范围，它是地球与宇宙物质相互交换的前沿。根据大气圈在不同高度上的温度变化，通常将其划分为五层，自下而上为：对流层、平流层、中间层、热层（电离层）及逸散层，逸散层再向外即为太阳上层大气（相对太阳）。大气是人类和生物赖以生存必不可少的物质条件，是使地表保持恒温和水分的保护层，同时也是促进地表形态变化的重要动力和媒介。地球海洋和陆地上的液态水和固态水构成的一个大体连续的覆盖在地球表面的圈层，称为水圈，包括江河湖水、海水、土壤水、浅层和深层地下水，以及南北极冰帽和大陆高山冰川中的冰，还包括大气圈中的水蒸气和水滴。水圈的主体为大洋，其面积约占地球表面积的71%。地表水、地下水和大气中的水，在太阳辐射热的影响下，不断进行着水循环。水循环不仅调节气候、净化空气，而且几乎伴随着一切自然地理过程，促进地理环境的发展与演化。生物圈是指地球生物及其活动范围所构成的一个极其特殊和重要的圈层，是地球上所有生物及其生存环境的总称。生物圈所包括的范围是以生物存在和生命活动为标准，从现在研究现状来看，从地表以下3km 到地表以上10km 的高空及深海的海底都属于生物圈的范围，但生物圈中90%以上的生物都活动在地表到200m 高空及从水面到水下200m 的水域空间内，所以这部分是生物圈的主体。生物圈在促进太阳能转化、改变大气与水圈的成分、参与风化作用和成土过程、改造地表形态、建造岩石等方面扮演着重要的角色。
　　地球的内部结构是根据地震波的传播、热的传导、磁性和重力等间接手段来对地球的内部