地质过程及其影响：内成过程、外成过程和陨击坑分布

地表特征（地貌）是各种地质过程长期综合作用的结果。就成因而言，地质过程可分为内成过程和外成过程两大类。内成过程包括火山活动和构造活动。外成过程包括大气圈和水圈的各种作用（风化、剥蚀、侵蚀、搬运、沉积）以及地外天体的陨击作用。

1）内成过程

20世纪初，德国地质学家A.魏格纳（Alfred Wegener）发现大西洋两岸的大陆轮廓相似，可拼接起来，而且两岸的地层、古生物化石等地质和古气候也有惊人的相似性和连续性，提出大陆漂移假说（continental drift hypothesis），认为约2亿年前有统一的泛大陆——联合古陆，后来分裂为几块并各自漂移开。限于当时的水平，这一假说遭反对而冷落20多年。到20世纪50—60年代发现洋脊扩张带、洋脊两侧磁异常条带对称分布等海洋地壳运动后，美国人H.赫斯（Harry Hess）和R.迪茨（Robert Dietz）分别提出海底扩张假说（seafloor spreading hypothesis），认为热的地幔物质从洋脊处涌出形成隆起，造成岩石圈破裂，地幔对流循环的水平运动带动顶部岩石圈离散（扩张），从洋脊涌出的物质形成新海底，而海沟是对流的下降处（见图5-8），进而发展为板块构造假说（plate tectonics hypothesis），认为岩石圈裂成一些板块（见图5-9）。板块边界是四类构造活动带。

图5-8　地幔对流与洋底扩张

图5-9　地球板块

（1）洋脊扩张带，其两侧板块离散，而上涌的软流圈物质增生为新的洋底。

（2）海沟及共生岛弧的俯冲消减带，两板块会聚，一个板块俯冲潜入另一板块下面（一般是海洋地壳俯冲到大陆地壳下面）而消减，也是地震和火山活动带。

（3）两大陆板块会聚的碰撞带，常造成大型褶皱山脉带并伴有强烈构造变形、岩浆和变质作用，如喜马拉雅山脉。

（4）转换断层，其两侧板块剪切水平滑动，常与洋脊或海沟共生。

现在利用全球（卫星）定位系统和激光测量等方法已测出不同板块运动典型速度为几厘米每年，其高度也可以发生几毫米每年的变化。板块活动始于何时很难逆推，一般认为始于25亿年前。洋底扩张和板块构造终究是地幔物质运动的内因所致（但机制仍是未解之谜），内成过程的主要能源是放射性核素（铀、钍、钾）的衰变能。

地幔内部不是均质的，某些部分积聚的热量较多，可能成为上升的地幔羽（或热柱），甚至深达核-幔边界，在其上方板块上形成火山或熔岩台地，当板块移过热柱就形成火山链，喷发玄武岩呈盾形火山（如夏威夷的火山）。

地质记录表明，一个超级大陆块约在7亿年前（前寒武纪晚期）开始破裂为几个主要大陆。但到2.5亿年前（三叠纪将开始），这些大陆连续漂移，导致它们再融为一个单一的超级大陆块——“联合古陆（Pangaea，来自希腊语‘全陆地’）”。7000万年后，联合古陆开始分裂，逐渐产生现在的大陆布局（见图5-10）。

图5-10　计算机模拟的大陆漂移

2）外成过程

内成过程导致地貌的大格局，而外成过程则严重改造它。外成过程的主要成因或能源是太阳辐射和重力作用。暴露于大气、水和生物作用的岩石发生风化，风化产物被媒质（风、流水、冰川、波浪）以及坡移搬运和沉积，形成新的地貌。

3）陨击作用(www.xing528.com)

行星际运行的某些小天体（小行星、彗星、流星体）可能陨落到地球上，乃至在地表撞击出陨击坑（我国地质文献常称为陨石坑）。例如，半径为100 m的铁陨石以速度10 km／s陨击地表的动能为1.6×1015J，相当于7级地震或38万吨TNT炸药或19颗广岛原子弹爆炸的能量。简单陨击坑呈碗形，例如，美国亚利桑那的巴林杰陨石坑（Barringer Meteorite Crater）是第一个被确认的陨击坑，其直径约为1200 m，深为180 m，曾认为是死火山口，后来从那里找到铁陨石碎屑和陨击构造特征，才获得确认（见图5-11）。据研究，它是约25000年前被一个直径约30 m、重约1.5万吨的铁陨石撞击成的，撞击能量约500万吨TNT炸药爆炸的能量。直径大于4 km的复杂陨击坑常有中央隆起和坑围断裂，更大的陨击盆地有高低交替的环状构造。地球上已发现150多个陨击坑（见图5-12），都是近20亿年来陨击的，更老的陨击坑已完全破坏无遗了。

图5-11　美国的亚利桑那陨击坑

图5-12　地球的陨击坑分布

陨击作为重要地质过程只是近半个世纪才被人们认识到的。陨击造成区域性熔融、溅射物沉积、断裂和构造活动，以及触发火山活动。例如，加拿大的萨德伯里（Sudbury）盆地，其直径为140 km，年龄为18.4亿年，那里有大量贵金属矿，矿体在几十千米的火山杂岩盆地内，自1883年发现它以来，已找到价值几十亿美元的矿产。陨击、火山活动及矿体的关系值得深入研究。

陨击事件与生物绝灭

1994年7月发生的苏梅克-列维9号（Shoemaker—Levy 9）彗星分裂碎块依次撞击木星的事件，使人们更关心彗星是否会撞击地球的问题。在地球46亿年的漫长演化中，遭受过多次彗星和小行星的陨击，将来也还会受到撞击。

1908年6月30日晨，西伯利亚的通古斯河地区上空出现一个大火球呼啸飞坠，方圆100 km都能看到，在一片密林上空发生强烈爆炸，爆炸声传到1000 km以外，地震台记录下爆震波。这次爆炸破坏了1600 km2的森林，估计爆炸能量为五亿亿焦耳，相当于一千多万吨TNT炸药，约为广岛原子弹威力的2倍，这就是通古斯事件（Tunguska Event）。有人提出这是一颗小彗星，也有人认为是一颗小行星的陨击。

6500万年前，地球上恐龙等70%物种大量绝灭。20世纪80年代，在白垩纪到早第三纪（6500万年前）地层（K／T）界面发现铱异常富集，阿尔瓦雷斯父子（Luis Alvarez and Walter Alvarez）等提出，一颗直径为10 km的小天体撞击地球，溅出的尘埃包围全球，中断植物的光合作用而造成了生物绝灭。许靖华提出，彗星陨落大海可能是这次生物绝灭的原因。直到10年后，科学家才在墨西哥尤卡坦半岛（Yucatan Peninsula）的希克苏鲁伯（Chicxulub，当地玛雅语意思是魔鬼尾巴）附近找到直径大于200 km的相应陨击构造（见图5-13），其产生年代恰为6500万年前，估计这次撞击的能量在百万到千万兆吨TNT。此外，在地质史上还曾发生过多次类似的物种大量绝灭。生物大量绝灭可能有一定的周期性，有人曾提出周期性“彗星雨”——很多彗星进入太阳系内区，周期性陨击地球。

图5-13　墨西哥尤卡坦半岛的希克苏鲁伯陨击构造

近年来，在太湖花岗岩中发现多种宇宙尘（微球粒）。世界范围的（晚泥盆世，约3.65亿年）弗拉斯-法门（F／F）界线的微球粒皆可与它们类比。在太湖的泽山岛发现岩石的震裂锥及矿物的冲击特征，说明受到过地外天体陨击，陨落过程中的烧蚀物形成多种微球粒，后来被花岗岩浆捕虏而留在花岗岩内。研究得出，这些微球粒可能是彗星陨落爆炸的烧蚀产物，而太湖可能是彗星陨落过程中在近地面爆炸或陨击而形成的。

1981年，L.A.弗兰克（L.A.Frank）等在动力学探测者1号（Dynamics Explorer 1）卫星拍摄的地球白昼气辉紫外像上发现一些暂现暗斑，称之为大气洞（Atmospheric Holes），直径约为50 km。他们推断，小彗星从行星际闯入地球大气，在白昼气辉的上空（高度约为1000 km）瓦解，并很快蒸发为水汽云，吸收气辉的紫外辐射，从卫星上看就呈现为暗斑——大气洞。进而推算出小彗星的质量约为20吨，大小约为10米，每分钟陨落5～30颗。通过设计巧妙的方法，他们用地面望远镜搜寻到小彗星的陨落。第一篇论文发表于1986年4月1日的地球物理通讯上，那天恰是愚人节，很多学者提出一个接一个的质疑，争论持续10年。直到20世纪90年代，低轨飞船（Polar Spacecraft）拍摄的连续图像上很清楚显示陨落过程（见图5-14），因而得到广泛赞同。估计每（1～2）万年的小彗星陨落可在全球沉积约1英寸水，足以提供地球同时期的大部分甚至全部的水。因此可以说，地球之水彗星来！

图5-14　小彗星陨落轨迹（图的右上方）

曾有奇闻：斯威夫特-塔特尔彗星（109P／Swift—Tuttle）下次回归时，在2012年8月4日可能与地球相遇乃至碰撞，但后来的仔细计算表明不会撞击。彗星和小行星确有撞击地球的潜在危险，因此，搜索和监视这些可能的近地小天体，预报可能的撞击地球事件并采取防卫措施，成为全世界关心的问题。虽然同样大小的彗星数目只有小行星数目的百分之几，但彗星的撞击速度（30～60 km／s）比小行星的撞击速度（20 km／s）大，所以彗星撞击危害更大。

实际上，每年都有相当于日本广岛原子弹能量（0.015兆吨TNT）的小天体闯入地球大气中烧蚀而呈现为火流星现象。兆吨TNT能量的陨击每世纪可能有几次，但由于仍在高空就烧蚀和爆炸（“空暴”），虽然监测卫星常观测到这些空暴事件，而地面上的人们一般感觉不到；千万吨TNT能量的陨击才穿入到低层大气空暴，可造成类似于同样能量原子弹爆炸的危害，破坏区的面积A正比于爆炸能量Y的次方，即，低空空暴比地面爆炸破坏的面积大，通古斯事件就是一例。50～300 m大小的天体类似撞击事件平均约250年才会发生一次，其能量为千万吨到10亿吨TNT，其破坏区的面积达几万平方千米或地表总面积的十万分之几，这样的撞击危害基本是区域性的，可造成几千人伤亡，大多居民不会受多大影响。造成全球性灾难的撞击事件是很少的。兆亿吨TNT能量的大撞击灾难平均约1亿到10亿年发生一次。虽然能量比它小些的陨击未必造成物种大规模绝灭，但仍然会像核爆炸或火山喷发那样把尘屑抛到平流层并散布到全球，造成严重灾难，农作物大量减产，人类饥饿死亡，有些学者形象地称之为核冬天（nuclear winter），这仍是准全球性灾难，比大地震和洪水及旱灾的危害严重得多。如果有某颗小天体可能会撞向地球，那么，现代天文观测有可能及早发现并预报，可用发射导弹等方法去把它撞离开或在外空击毁。