关于行星演化能源介绍

[拼音]：xingxing yanhua nengyuan

[外文]：energy sources of planetary evolution

不同类型的行星（包括卫星）有不同的化学组成和演化历史，其演化过程的能量来源通常各不相同。太阳系各天体的演化能源基本上可分为 3类：类地行星演化能源、类木行星演化能源和冰质天体演化能源。

类地行星演化能源

类地行星及其卫星以及木卫一、木卫二、木卫三和木卫四等，是由岩石物质组成的天体，各自处在不同的地质演化阶段，但具有相同的演化途径。类地行星早期演化的主要能源是：吸积物质和行星核向中心沉降产生的重力能，和半衰期为10～1000万年的放射性核素（如26Al、 107Pd等）的衰变能。在随后的演化过程中，长寿命放射性核素的衰变能是主要的能源。类地行星的演化程度、地质活动规模和持续时间与其质量和组成密切相关。质量小的天体，形成阶段释放的重力能小，表面积与体积的比值大，绝热性差，容易散失热量，因而化学分异程度低，热变质程度低，在较早阶段便停止地质活动。质量大的天体，形成阶段释放的重力能大，表面积与体积的比值小，绝热性好，不易散失热量，化学分异程度高，地质活动规模大，持续时间长。行星的化学组成一方面决定其开始分异时形成富铁核的大小和富铁高密物质向行星中心沉降时释放的能量；另一方面也决定了行星中放射性元素的含量和分布，以及行星演化过程中释放的放射能量。类地行星和月球形成时释放的吸积能和行星核、壳分离时释放的重力能如表1。

是类地行星中化学分异程度较高，地质活动延续时间较长的一个星体。地球形成时释放的能量和地核与地壳分离时释放的能量总计约6×1031卡，它可使早期地球完全熔融，是早期地球演化的重要能源。地球形成之后，地球上各种核转变产生的能量，逐渐转变为地球演化的主要能源。在地球形成的初期，半衰期为10～1000万年的26Al、107Pd等核素的衰变能，对地球物质的加热起重要作用。长寿命的U、Th和40K的衰变能，在地球的整个演化过程中起作用。这些元素一般富集在地壳的构造活动带、现代地震带和火山活动区、地表热流值较高的地区和年轻的岩体中。U、Th和K在地球各种物质中的含量如表2，估计它们在地球内每年释放的能量约 6.5×1020卡。这个能量是目前地球的地幔对流和板块运动的主要推动力，也是地表热流的主要来源。地球形成时，235U/238U=0.313，远高于今天的比值0.0072。因地球早期235U浓度高，在热中子作用下可发生裂变甚至链式核反应，产生大量能量（1克235U裂变约产生2×1010卡能量），为地球演化提供能源。1972年，在加蓬共和国奥克洛铀矿区发现的18亿年前天然核反应堆，为此提供了一个有力的证据。

中国地球化学家侯德封等认为，按各类核转变能的大小，可将地球的热历史分为3个阶段：

（1）50～45亿年前，相当于地球演化的宇宙阶段，短半衰期的26Al、 107Pd等核素的衰变和235U的诱发裂变，为地球演化的主要能源；

（2）45～19亿年前，235U诱发裂变和长半衰期的U、 Th、40K的衰变，为地球演化提供主要能源；

（3）19亿年前至现在，U、Th和40K的衰变为地球演化的主要能源。

此外，在地球演化的早期阶段，高密度的星子（陨石）撞击地表，可使部分地表物质发生熔融和蒸发，对地球表层的演化产生重要影响;地球形成以来，与周围星体相互作用发生d性形变产生的潮汐能约为 7×1029～9×1029卡，这个能量的一部分可被地壳吸收，为地壳演化提供了能源；地球形成后，每年接受的太阳辐射能约为1.25×1024卡，它可引起地表温度发生周期性的变化，但不影响地球内部的热状态。

形成时释放的重力能约3×1028卡，这些能源和短半衰期核素的衰变能成为月球早期演化的能源。月球的U平均含量为3.5×10-8克／克，Th/U=3.6，K/U=2000，长半衰期的U、Th和K在月球各构造层的比值基本保持恒定。月球形成以来，U、Th和40K释放的能量约4.3×1028卡，为月球的长期演化提供了稳定的能源。月球演化的主要热事件如下：

（1）46～43亿年前，分异形成月壳、月幔和小的月核，后期经受强的小天体轰击。

（2）43～32亿年前，小天体的轰击作用减弱，大的环形月海盆地与高地斜长岩形成。

（3）39～31亿年前，发生第二次大型岩浆活动，玄武岩流覆盖月海盆地，而小天体撞击几率降低至接近目前水平。在此期间，至少有5次月海玄武岩喷发，每次喷发的时间间隔愈来愈长；31亿年前，大规模的火山活动已停止，小的火山活动延续至约25亿年前，随后月球进入了地质上的宁静期。

水星的体积小，内部热能散失较快。水星形成时释放的重力能约 4.2×1029卡，形成后被急剧加热。在形成后约10～15亿年，分异成了壳、幔和核，在20亿年时，水星具有约200公里厚的岩石圈，500公里厚部分熔融的幔，和半径为1700公里的熔融铁核。目前的水星壳厚约500公里，幔厚约200公里，铁-镍核半径约1700公里。计算的水星热流值约55尔格/（厘米2·秒）。水星内部构造和热状态随时间的变化如图1。

金星的质量和体积与地球相当，表面的K/U值和Th/U值与地球接近，因此它的热历史与地球相似。金星形成时释放的重力能约3.9×1031卡，形成后被急剧加热。在形成后约10亿年，生成100公里厚的壳，3000公里厚的熔融或部分熔融的幔，和半径约3000公里的铁－镍核。目前，金星约有100公里厚的壳，约800公里厚的熔融上幔，约2200公里厚的下幔，金星核可能是熔融状态的铁-镍核。金星表面计算的热流值为77尔格／（厘米2·秒）。金星内部的构造和热状态随时间的变化如图2。

形成时释放的重力能约1.5×1030卡，形成后被急剧加热。形成后约15亿年分异为半径约1400公里的Fe-FeS核和厚约150公里的壳。目前火星有厚约200公里的壳，约1200公里厚的幔，和半径约1900公里的熔融Fe-FeS核。

类木行星演化能源

类木行星的演化能源主要由行星自身收缩产生的引力势能提供。下面主要介绍木星和土星的演化能源。

有内热源，它以红外线形式释放的能量约为吸收太阳能量的1.5～2倍。一般认为这个内热源来源于木星46亿年前开始的缓慢引力收缩作用，至今木星内部仍是热的。

以红外线形式释放的能量约为吸收太阳能量的 3倍。一般认为土星内热源由两部分组成：一部分来源于土星46亿年前开始的缓慢引力收缩作用，另一部分来源于土星演化中氦的冷凝作用，当冷凝的氦雨滴穿过土星内的液体氢时，由于摩擦作用而释放出热量。土星大气氦的丰度(<6％)显著低于木星（约10％），这一观测事实支持了土星氦雨释放能量的假设。

冰质天体演化能源

土星的17颗冰质卫星（土卫六为冰质－岩石质卫星）处于不同的地质演化阶段。土卫二的表面覆盖有新鲜的冰，并可区分出6种不同类型的地质体。一般认为，土卫一和土卫二这类冰质小天体的演化能源与类地行星不同，它们不是来源于放射性元素的放射能，而是来自土星和相邻卫星的潮汐作用。

参考书目

1. 侯德封、欧阳自远、于津生：《核转变能与地质的演化》，科学出版社，北京，1974。
2. J.K.Beatty，B.O'Leary and A.Chaikin，The NewSolar System，Cambridge Univ.Press，Cambridge，1981.