行星科学，地球动力学，影响，大规模灭绝和进化:发展和相互联系

摘要

地球物理学的研究前沿正在扩大，随着技术进步，如地球观测卫星网络，全球定位系统，高压 - 温度物理，断层扫描方法和大数据计算导致新领域的开发。Planetary missions and enhanced exoplanets detection capabilities, with discovery of a wide range of exoplanets and multiple systems, have renewed attention to models of planetary system formation and planet’s characteristics, Earth’s interior, and geodynamics, highlighting the need to better understand the Earth system, processes, and spatio-temporal scales. Here we review the emerging interconnections resulting from advances in planetary sciences, geodynamics, high pressure-temperature physics, meteorite impacts, and mass extinctions.

1.介绍

在16和17世纪，物理学包含了一个广泛的研究领域，并在天文学、光学、力学、气体化学、热力学等领域取得了重大进展。它们包括太阳系日心模型的建立，行星运动定律的表述，摆和抛物运动的实验和数学描述，万有引力定律，惯性参照系和运动定律，压力-体积波义耳定律和理想气体定律，在许多其他发现中。现代物理学的研究继续涵盖广泛的领域，这反映在不同的学科和新兴的前沿。

提高了对大气，水层，岩石圈，电离层和生物圈的相互作用的作用的认识（图1)导致地球系统科学的综合方法。这导致了更好地理解相互作用、组分流和反馈机制作用于不同的时空尺度，并在地球化学循环、表面过程和地球气候中表现出来。在近地环境和太阳系的地球内部和外部过程的研究方面的最新进展导致了广泛的综合方法。

利用高性能计算、大数据分析、卫星观测系统、仪器网络和行星任务等技术和理论发展，正在研究近期和长期存在的问题。太阳系的行星任务和发现系外行星和多个系统为地球的研究提供了广阔的背景，整合了研究，挑战了模型和理论。在这里，我们回顾了地球动力学、高压矿物物理学、陨石撞击、大规模灭绝和行星科学的发展，以及随着领域发展而出现的相互联系。

2.地球动力学和地球的深层内部

20世纪60年代和70年代初，板块构造学的发展为地球科学提供了新的范式，地球的上层被划分为几个板块，经历了大规模的板块运动[1］．板块构造将地表构造过程与地球内部和深部的能量来源结合起来，将岩浆活动、地震活动、造山活动和成矿作用统一起来。这一理论将长期保存的有关大陆的丰富地质和地球物理数据与最近获得的有关海洋的信息，特别是海洋中脊、断裂带和海沟的信息结合起来。2- - - - - -4］．板块构造在全球综合的地质映射，结构地质，地层，古生物学，岩石学，地球化学，地震学，古物币，大地和海洋地质以及地球物理学中提供了一种运动框架建设。

在过去的三十年中，板块构造已经证明高度成功，促使多层和跨学科研究。了解行星工程如何仍然是一个挑战，深层和表面流程，机制和能源的动态，只有部分地研究。板式动力学的关键方面，地幔对流，热点岩浆广告，地幔分层结构，对流，芯板，腔内变形，垂直运动，极性徘徊和板驱动力仍然仍然是部分理解的。

板块构造为岩石圈提供了一个全球模型，岩石圈被分解成几个板块，在板块边界上进行相对运动(图)2(a))。海洋岩石圈形成于山脊，并在俯冲带被回收到地幔中。国际和区域宽带地震学和GPS网络的出现提供了瞬时板块运动数据。这为研究板块运动学开辟了新的途径，提高了时空分辨率。整合了地质和大地数据的板块模型正在构建中，它可以分析过去几百万年的板块重组，并评估板块变形和扩散板块边界。DeMets等人最近的合成[5]包含了27个板块，其中包括6个与山脊系统没有直接连接的小板块，并给出了一个高分辨率的板块运动学模型(图)2(b))。他们的结果证实了刚性板块假设，并提供了由热收缩和宽板块边界引起的板块变形的约束条件。

在长时间的尺度上，板式运动经历了主要的变化和与海洋盆地关闭和开口的板块重组，与深层过程和地幔对流有关[6］．使用海洋磁性异常，裂缝区，热点轨迹和古磁体方向的板运动的地质估计已被用于过去200 mA重建板运动学。对海洋平稳，火油省，造口带和火山弧的研究为乒乓球和普雷明的板式动作和地幔对流提供了紧张的限制，具有超大地块和大陆分手的形成[7］．深部构造在板块构造中的作用可以从深部及核幔边界的残余大地水准面长波特征和剪切波速带中看出。

挑战是如何使用改进的板运动学分辨率来建模板动力学[8］．控制板块运动的力量与地幔深部过程、热点的性质、俯冲岩石圈的命运以及核-地幔D”带的过程之间的关系普遍受到较差的约束。地球的深层结构、矿物组成、对流、高压/温度物理和能源仍然是主要的前沿领域[9，10］．

地震分析在成像速度异常、波偏振和地幔和地核地震各向异性特征方面取得了进展[11］．地震波衰减异常已被记录与深度，这与地球动力学建模的地幔粘度估计相关联。衰减和其他非弹性特性的测量与流变特性有关，这在理论模型和实验室实验中进行了研究。地球内部的层状结构的特点是压力和温度的升高，物理性质和矿物学的变化和相的变化。压力从地壳的约24 GPa增加到内核的364 GPa(图)3.）.最近，利用金刚石砧室、激光束、惰性气体石墨炉和同步加速器源，在不断增加的压力和温度下，物理和成分结构矿物性质正在被确定。富mgsio钙钛矿是2900km以下地幔的主要成分。该地幔矿物在核-幔条件下经历了向致密后钙钛矿的相变，表征了D”层的物理性质。铁和铁-硅合金在模拟的外芯和内芯条件下进行研究，压力和温度高达257 GPa和2400 K [12]及364 GPa及5500k [13］．高压矿物物理实验提供了有关矿物学和物理性质(如抗弹性和塑性)的新数据，这些数据是由约束相转换和深度变化的第一性原理计算耦合而来的[14- - - - - -16］．

对流的计算机模拟允许测试不同的边界条件、性质对比和几何形状，包括那些长期探索的全地幔和双层对流。地磁场产生的发电机模型模拟了在地表观测到的长期变化和区域异常的短期和长期变化，包括极性倒转。热边界条件在发电机行为中起着重要作用。增加的计算能力允许模拟精细网格几何与更高的分辨率。地球动力学建模领域，耦合到层状对流、地幔黏度和物理性质对比区域异常的深部内部模型，近年来得到了极大的发展，显示出进一步发展的巨大潜力[17］．

板块边界是从地幔深部到地表的活跃交换作用的场所，表现为地震活动、热流和岩浆活动(见图)4）.在美国西部的圣安德烈亚斯转换断层、中东的死海和安纳托利亚断层、日本的Honshu俯冲带等区域，区域仪器网络、地球物理调查和建模提供了新的高分辨率数据。研究还涉及重大矿物和能源资源集中在板块边界的经济影响，以及与地震和火山爆发有关的相关危险[18，19］．对地震、缓慢滑动事件和火山爆发的研究可以增强对机制的理解，并开发新的监测工具。研究的重点是大型逆冲断层地震，如东海- oki 9.0级地震和板块俯冲过程[20.］．活火山提出了特殊的挑战，特别是模拟管道内的岩浆和地幔深处的连接，这促使了一系列遥感、GPS、倾斜仪、宽带地震网络和综合势场和电磁测量方法的发展。新增的新工具包括利用高层大气产生的次级宇宙射线的μ子层析成像，增强了成像深火山结构的能力[21.，22.］．

3.影响、大灭绝和进化

生命的进化主要是通过化石记录来研究的，这为保存在地球历史上的过去的生物提供了证据。古生物学研究建立了从前寒武纪的单细胞生物到显生宙的多细胞生物的生命演化的广阔图景，提供了一个纳入地质时间尺度的时空参考系统。该领域从地层学、化石学和分类学的基础研究转向探索生态系统、生理学、生殖特性、有机体疾病、气候和环境的相互作用和反馈。随着同位素地球化学和分子研究的引入，古生物学的研究领域不断扩大，呈现出多学科交叉的趋势。

由于气候和环境变化以及人类活动的影响，物种灭绝率一直在攀升。全球变暖、海洋酸化、森林砍伐和污染正在影响生态系统，导致陆地和海洋领域的物种灭绝。在晚更新世和全新世过渡时期的最后一次冰消期的较长时间内，包括许多陆生和海洋脊椎动物在内的大量物种已经消失。物种灭绝的速度和规模增加了研究过去物种灭绝事件的兴趣，特别是那些与显生宙的五次大规模灭绝有关的事件(图)5）.大规模灭绝的特征是在相对较短的时间内发生，其速率高于本底灭绝水平[23.，24.］．Barnosky等人[25.他在地质背景下分析了最近的物种灭绝事件，并将它们与过去的五次事件进行了比较。大多数曾经发展过的物种都已经灭绝了，所以研究灭绝速率和机制对理解进化过程至关重要。

末端白垩纪的大规模灭绝，在Phanozoico和最近一个中的严重程度是强烈的研究。它影响了大量的物种和白身，缺乏恐龙，翼龙，氨化和众多海洋微生物，导致约75％的物种消失。质量消灭标志着中生代时代的结束。白垩纪/古常（K / PG）边界由全局分布的薄粘土层识别（图6），其表示来自螯合株的喷射物的细粒尺寸分数[26.- - - - - -28.］．K/Pg边界层是一个全球性的地层标志，它允许空前的时间分辨率和事件的横向对比。

K/Pg层厚度为几毫米到几厘米，由基底球晶层形成，代表抛物线状侵位的熔化液滴或高温喷出云的冷凝物，而粘土则代表在平流层上层侵位的细颗粒喷出物(图)6）.在墨西哥湾-加勒比海地区，它具有更复杂的结构，具有高能海啸沉积和高温层。对层分布、组成和物理性质的分析可以重建撞击事件的动力学。K/Pg边界剖面的研究为气候和环境变化及其对生物的影响提供了数据。研究包括对灭绝物种、生态系统破坏、存活物种、短期和长期后影响、恢复模式和多样化的分析。在解释灭绝的机制和对生物群的影响方面的问题是在年代测定和相关性方面的精确性。在地质记录中，以秒到月的尺度分离撞击事件是一个主要的挑战，这促使人们尝试改进年代测定方法和地层学。Renne等人的最新分析[29.]降低了在〜30 kA内约会K / PG边界的不确定性，这代表了约会能力的急剧提高。

对K/Pg边界、撞击事件和大规模灭绝的研究正在扩大，涉及到短时间和长时间尺度的生命进化。其中一个研究过程是关于陆生哺乳动物最大体型的进化，在中生代的大部分时间里，陆生哺乳动物与恐龙共存。在大约140个马人时期，哺乳动物与恐龙共存，局限于较小的体型和生态系统。随着恐龙的灭绝，首先鸟类增大了体型，包括一些大型掠食者。后来，哺乳动物开始多样化，并在古新世和始新世早期增加了它们的最大体型。Smith等人[30.已经分析了陆地哺乳动物的最大体积的演变，表明群体通过后期群体增加体重，而不管陆地群。

化石记录提供了生命进化的一个间断的观点，偏向于某些地质环境、环境和更容易保存的生命形式。岩层的年代测定和横向对比呈现出进一步的复杂性，随着时间的推移，分辨率降低。利用统计、光谱和数值模拟分析的多代理方法，正在发展高分辨率地层方法。放射测定年代法已经得到改进，它正在与天文、磁极和旋回地层学结合应用，从而产生高分辨率的年代学。这些进展被应用于提高精度校准地质时间标度。

对化石记录和进化的研究与气候和环境因素密切相关，这些因素与前瞻性的早期开始与大气和海洋的氧合，真核生物的出现和生活的演变，以及气候和环境的出现在Phanerozoic。研究专注于早期生命形式，形成铁带形成，全球冰川和生命树的建设。利用各种生物，化学，同位素和物理代理进行高分辨率增加的气候重建新工具。在墨西哥和北美洲和中美洲，研究评估热带趋同区纬度迁移，北美季风，厄尔尼诺 - 南部振荡，太平洋横向振荡，太阳辐照度和电信连接的影响，机制和互连[31.，32.］．这些研究涉及不同时空尺度的气候演变，并结合了千年、百年到十年分辨率的计算模拟和理论模型。最近的研究探讨了气候和环境因素对进化模式的联系和影响，以及生物圈与气候的相互联系[33.］．

一项重大的发展来自于分子钟，它极大地影响了校准进化时间的方法[34.，35］．用于分子树分析的建模工具已迅速发展，为分支事件提供估计，这些事件抵御来自化石记录的最小年龄。改进了对不同基因组的理解和变化率在使用分子时钟提供绝对日期的主要挑战仍然存在重大挑战。鉴于能够提供大量数据和处理能力的仪器和方法的进步，分子时钟将在调查进化时间方面提供更高的分辨率。应用于Multitaxa的多尾钟已经在分支点中提供了前所未有的细节，整合系统发育重建，化石记录和基因组进化率的约束[36.］．

分子分析非常适合研究宏观进化，例如真核生物的出现，在化石记录中，真核生物出现在800 Ma左右，当时全球海洋和气候正在发生变化。早期真核生物多样化的分子估计更年轻，大约在1866至1679 Ma [36.］．这一较早的日期与真核生物微化石的报道一致，表明主要真核生物谱系多样化的时间跨度很长[33.，36.］．研究正在基因组水平上解决进化特征，调查真核生物在数百万年期间跨物种的进化。生物体的复杂性与细胞类型数量、基因内容、蛋白质长度、蛋白质组紊乱和蛋白质相互作用等基因组特征有关，这些特征正在被量化[37.，38.］．真核生物1.4 Ga进化过程中，选择性剪接随着生物复杂性的增加而稳步增加[38.］．

4.行星科学

利用地球上的多光谱遥感和空间探测器对太阳系的探索开辟了新的研究前沿。对类地行星和气态巨行星的卫星的行星任务已经提供了关于结构、表面形态、岩浆活动、构造样式和深层内部的数据。

对内行星和卫星表面的观察表明，它们的特点是有不同大小和形态的陨石坑。它们是由小行星和彗星碎片经过一段时间的碰撞形成的，从小型的碰撞到大型的峰环和多环盆地的碰撞。大的冲击在地壳中产生深的瞬态开挖空腔，碎裂和移走大量岩石，并重新分布地壳物质。在地球上，活跃的构造环境和侵蚀有效地抹去了撞击的记录，记录在案的陨石坑数量相对较少，只有三个大型多环盆地[39.］．希克苏鲁伯陨石坑形成于K/Pg边界，边缘直径约为200公里，是多环盆地中最年轻的，也是唯一保存有喷出物的[26.，27.，29.］．另外两个构造形成于前寒武纪:萨德伯里约1.8亿年，弗雷德堡约2亿年。希克苏鲁伯陨石坑位于墨西哥湾南部的尤卡坦平台上。该构造被碳酸盐沉积物所覆盖，正在通过地球物理方法和深钻孔进行调查(图)7) ［40，41］．

冲击在不同深度产生变形，产生热异常，形成长期存在的热液系统。显示热液蚀变的陨石坑正在被调查，以寻找生命形式的表现，这是外星生物学计划的一部分。对地球记录和其他地方的陨石坑的研究正在加深对这些在塑造行星表面(包括小行星带)中高能量现象的理解。

通过分析陨石坑的频率、密度和大小分布，可以估计行星表面的年龄，古老的表面上有高密度的陨石坑，通常包括大型多环盆地[39.］．陨石坑的大小-频率关系也与地球动力学和深部构造有关。板块构造似乎只局限于地球[10，42］．在其他天体，包括火星、金星和木卫一，也可以观察到岩浆活动。火星岩石圈看起来并没有破碎，也没有处于相对运动状态。金星显示出强烈的变形，并在大约500 Ma以前经历了一次灾难性的表面重铺事件。

关于深层结构、热状态和对流的证据来自对陨石、磁场和核心发电机的研究。长期以来，陨石一直被用来研究行星系统的起源和早期演化阶段(图)8）.对球粒陨石和其他原始陨石的分析记录了以耐火包裹体和球粒为代表的第一批固体的年龄，太阳星云的化学成分，以及星子的形成[43］．有关研究正在为进化阶段提供越来越清晰的答案(例如，[43，44])。球粒陨石、铁和石铁陨石的研究支持它们的星子有分化的铁芯，能够维持~10 Ma周期的发电机作用[45- - - - - -49］．主要群绿云母的古地磁记录支持这样一个事实，即它们来自维持内部磁场的分化星子的核-幔边界附近[47］．在太阳系的早期阶段，部分分化的星子可能相对丰富[48］．许多被高能碰撞摧毁，其中一小部分保存在小行星带。最近的分析表明，灶神星在早期有一个对流的铁核[49］．

行星探测是地球物理学发展最迅速的前沿领域之一，它带来了来自太阳系任务的新数据，以及关于系外行星和行星系统的新发现。最近发现的系外行星和多个系统对基于太阳系观测的行星系形成和早期演化模型提出了挑战[50］．大量发现的系外行星重新激发了人们对行星模型的兴趣，这些模型在吸积盘的特定区域内具有明显的气态冰巨星和岩石行星的形成带，以及涉及大规模行星迁移的模型。

随着分辨率和探测能力的提高，更小的地球大小的行星正在被探测。开普勒太空望远镜任务目前正在分析数千颗候选行星，包括几颗小质量行星。最近，Quintana等人[51]报告了开普勒-186f的发现，开普勒-186f是一颗地球半径为1.11的系外行星，其轨道位于主序m1型矮星周围的可居住带内(图)9）.开普勒-186f是五行星系统中最外层的行星，以共面轨道为特征。多行星系统与原行星盘的形成是一致的，行星是由本地物质的吸积和/或星子的碰撞生长形成的。由Quintana和合作者进行的数值模拟[51]对于Kepler-186系统，表明，需要过于陡峭的密度配置，靠近恒星的密集增压盘。这些结果表明，行星在形成或晚期扰动时接受了内部迁移。

探测方法主要集中在靠近恒星的大型行星上，所以大多数发现的是靠近恒星轨道的大型气体行星。探测小型类地行星仍然是一个挑战。Robertson等人[52]分析了M矮星Gliese 581周围的系统，表明恒星活动可能会造成干扰，从而导致虚假的系外行星探测。他们的结果表明，GJ 581 g(系统中四颗系外行星之一)的信号取决于对其伴星GJ 581 d的偏心度假设。

研究系外行星的主要挑战在于限制其质量、密度、组成和轨道参数。最近的发展开始提供新的工具和数据。岩态行星预计比气体行星和冰态行星的尺寸要小，但还需要额外的观测，这可以从恒星的金属丰度进行探索。Buchhave等[53]分析了405颗系外行星宿主恒星中比氢和氦重的元素的丰度，发现系外行星大小分为三个金属丰度区域。这三种行星被解释为岩石、气体矮行星和气体冰的巨型系外行星。另一个密切关注的领域是探测超级地球、气体矮星和冰气体巨星的大气层[54］．最近的研究利用透射光谱数据报告了吸收特征，给出了大气特性的细节，证实了超级地球中的云[55］．考虑到到目前为止，迄今为止地球和海王星之间的大小范围的显着分数，新的研究开辟了一个有趣的研究领域。

确定轨道参数和自旋为行星的环境特性提供了重要的约束条件。许多被探测到的系外行星的轨道靠近恒星，用目前的方法更容易探测到。光谱学观测可以提供有关气体巨行星自旋速度的数据βPictoris b (56］．这颗系外行星距离恒星很远，大约是我们系统中木星距离的两倍，而且相当明亮。自旋的测定来自于(蓝色)转移的一氧化碳光谱信号，它给出了25公里/秒的估计。在太阳系中，自旋与质量相关，除水星和金星外，显示出广泛的趋势。它的快速自转速度大约是木星和地球的2倍和50倍，这与它的质量非常吻合。这项研究增加了一个有趣的工具来描述多行星系统，它可以为行星形成模型提供约束条件。

长期以来，人们对地外生命的兴趣一直局限于理论分析，现在人们开始研究极端环境下的生物。对来自地壳深处、海洋热泉、超干旱沙漠或极地帽的极端微生物群落的研究，扩大了对食物网、能源来源、繁殖策略和代谢状态的理解。行星任务的目标是寻找地外生命。自从海盗号的实验测试了火星土壤和大气的特性，寻找液态水和有机化合物的证据以来，已经有几项任务指向了火星。最近的任务是扩大对地表液态水、热液活动、有机化合物和化石线索的表征。新的任务和光谱学观测利用行星大气中生命活动的遥感线索。

直到20世纪90年代中期，已知的唯一行星系统就是我们自己的行星系统。行星状星云的演化模型预测了行星盘的形成，但没有观测证据。最近关于数百颗系外行星和多行星系统的报告，以及对它们大小、轨道和恒星特征的观察，正在急剧地改变和扩展行星和行星系形成的理论和模型[57- - - - - -60］．

5.结论

像地球观测卫星网络一样的新工具，全球定位系统，行星任务，高压/温度实验，高分辨率断层扫描和高性能计算在扩大地球物理中的研究边界方面发挥了重要作用。增加对理解地球流程和仪器的新发展，建模和观察能力的兴趣也来自人口增长和人口变化，这增加了对矿物质，水和能源的全球需求，导致污染，土地利用变化，森林砍伐，环境降解，生物消灭，大气气体成分的变化，以及全球变暖。在这种情况下，了解地球的大气，海洋，大陆，电离层，磁性层，生物圈和深层内部，它们的互连，周期，时空尺度和反馈机制已经成为一个主要优先事项。人为诱导的变化与由地球上的地质力引起的那些相当，突出了综合研究的重要性。这促使地球系统科学与研究领域的全球方法促进了地球系统科学和发展，其中许多人在跨学科的边界，如生物季刊，环境地球物理，优质化和行星科学。

在一个广泛的背景下，高性能计算能力、个人计算机、电信、电子和互联网的出现正在深刻地改变着科研事业。这些发展几乎涉及与电子数据库、出版物、电子档案、搜索引擎、软件以及个人和团体互动研究有关的每一个领域。使用超级计算机和计算机网络分析大量数据集的能力有助于使用数值方法和复杂模拟。高性能计算允许对复杂的气候系统建模，核和地幔层析成像，地球观测卫星多光谱数据，或使用来自太空望远镜开普勒和其他搜索任务的大量数据集的系外行星探测系统。

不同领域的研究与最近的发展联系在一起，为以前各自独立的努力架起了桥梁。对太阳系起源和演化的研究是行星科学的新领域，它挑战了现有的模型，提出了新的问题。大多数被发现的系外行星的大小在地球和海王星之间，在太阳系中没有类似的行星。对超级地球和气态巨星的结构和性质、轨道特征和形成机制的研究，为行星演化提供了新的见解[58］．除了大小、轨道和质量之外，研究还在进一步研究系外行星的特征，比如自旋、表面温度、大气和云的存在和组成[59，60］．太阳系中的群众旋转关系与分解速度有关，并且撞击增加了角动量。快速旋转的估计βPictoris b，它符合快速旋转和大质量的趋势，开启了行星形成过程中撞击的联系[57，59］．βPictoris b是一颗仍在收缩和冷却的年轻行星，体积接近木星。确定一个更大的系外行星群的自旋特征将允许研究行星如何在不同的原行星盘环境中形成和进化。

系外行星研究和行星任务与调查地球和太阳系其他天体的陨石坑记录有关，包括行星形成初期的大碰撞。太阳系卫星表现出岩石行星和气体冰行星的不同特征，大行星上有小卫星，小行星上有大卫星。地球构造和深部构造的研究现在与行星内部、行星形成模型和热状态的行星研究相关[42］．高压和高温矿物物理的结果[11- - - - - -15]关联和限制超级地球和巨大冰气系外行星的形成模型[51- - - - - -60，以及太阳系的行星[50］．我们在极端陆地环境中生命的研究、年轻地球生命的起源和进化与外太空生物学的研究之间有类似的联系[61］．研究是揭示的关系和探索新问题和互连。

相互竞争的利益

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

作者感谢Ana Escalante和Miguel Angel Diaz的帮助，以帮助这些数字。本研究构成了少校肾小管撞击，白垩纪/古雄性边界和迈泰普兰墨西哥国家大学的一部分。部分支持来自Papiit Ig-101115和Conacyt赠款。

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