大约50亿年前太阳系诞生,大约46亿年前地球开始形成。地球是由原始太阳星云中的气体、尘埃的凝聚及陨石物质吸积而成的。星云盘内的物质,包括尘埃层,因碰撞吸积,形成许多原小行星或称为星子聚集成星胎,再增生而形成地球。原始地球经历了地外物体猛烈的撞击,这种撞击能量转化为热能,星子的堆积也使地球质量不断增加,内部受到压缩,再加上放射性元素衰变产生的热量积累,使地球由冷变热,这种热的积累足以使当时地球上的物质大部分均处于熔融状态。因而早期的地球表面不存在当今地球上由岩石圈组成的地壳。岩石学家在测定地球上最古老岩石的年龄时一直很纳闷,为什么发现不了年龄大于40亿年的岩石呢?这个谜团直到现在才开始解开,即根据美国科学家最新的研究:早期的地球表面根本没有岩石的固结,而是一片红色沸腾着的岩浆海洋。大约在45亿年前,地球与类似火星大小的行星发生了一次斜向碰撞。两颗行星碰撞形成的熔岩和地壳多数溅入太空中,最终这些物质形成了月球。
原始地球遭受到大量微行星的撞击
45亿年前一颗小行星撞击地球,最终导致月球的诞生
实际上形成地球的吸积过程并非均匀地一次性完成的,它大体上可分成两个阶段。
(1)由巨星子(直径大于3000千米)堆积成原始地球,形成相当于现今地球质量70%~90%大小,巨星子是由金属铁组成的M群星子和类似于月球组成的L群星子构成。在吸积、增生的同时,地球物质在万有引力作用下向中心聚集,体积缩小,压力增大,放出热量,使地球内部物质(相对均匀的富含镁铁质的硅酸盐)发生广泛或全部熔融,从而导致物质按照密度的不同、沿地球半径方向发生分异和迁移。约占地球内部物质总质量1/3的铁,由于其密度较大,较多地聚集到地球的中心部位,遂形成以铁镍为主的地核。地核分内核(5150~6378千米)及外核(2900~5150千米),下图中左部蓝色球体中心的第一层(白色)及第二层(亮黄色)分别是地核的内核和外核,外核的铁、镍金属目前仍处于熔融状态。
尽管地核的铁、镍金属无法用直接取样方法加以证实,但从降落到地球上的大量陨石的成分来看,铁、镍金属是铁陨石中很常见的矿物成分。实验矿物学也模拟了地核的温度(约4000摄氏度)和压力(4000亿帕),形成的矿物相中部分物相,如γ-Fe,与陨石中的铁纹石十分相似。铁陨石不仅在地球降落的陨石中经常见到,而且也有在其他行星上陨落的记录。右下图是美国机遇号火星车发回的照片,这块如篮球大小的陨石主要由铁和镍构成,是地球以外的星球上首次发现并被确定为陨石的物质。
月球的诞生及地球层圈的初步形成
除地核物质外,大部分的硅酸盐和氧化物形成了原始的地壳和地幔。密度较大的富镁硅酸盐和氧化物(可具钙钛矿结构)则相对下沉,并逐渐冷凝成为固体,构成下地幔;密度较小的、与月岩成分相近的铝硅酸盐(富含稀土元素、钾、磷、铀和钍)浮到上部富集,形成原始的地壳和上地幔,其底部相当于现今的地幔过渡层(现位于地面下400~670千米)。原始地球的壳、幔、核都经历了分异熔融作用和圈层化的过程。原始地球基本形成于大约46亿年前,以后则一直比较稳定,大致保持其重力均衡和圈层结构的特征。
(2)由较小的晚期星子(平均直径约400千米)堆积到地球外层——镶饰层,晚期镶嵌堆积的星子主要是C群星子,可能也有一定数量的L群星子。它们堆积在冷却中的原地球表面上之后,也产生了分异作用,但显然没有发生过全部熔融,仅有部分熔融。这是根据现今全球上地幔和地壳横向很不均匀的特征来推断的。上地幔补给层以部分熔融的方式形成了早期的地壳,以晚期星子堆积为基础的上地幔—地壳分异系统,自距今44.6亿年以来一直在起作用。
星上陨落的铁陨石