第一节 自然地理环境发展的方向性

自然地理环境沿着一定方向而发展，它的发展依赖于整个地球的发展。自然地理环境是地球演化进程中某一阶段的产物，它形成的开端与地球物质分异为各个地圈有关，至少到了地球分化为两个圈层的时候，才可以谈得上

（原始的）自然地理环境。

即使是原始的自然地理环境，它的各组成成分也是作为一个整体发展的。在这里，只是为着分析上的需要才逐一加以讨论。

一、岩石圈发展的方向性

现代的岩石圈是地球几十亿年演化的结果。从整体上看，在这漫长的演化过程中，原始地球由一个接近均质的球体，分化为具有复杂圈层结构的现代地球。作为地球圈层之一的岩石圈也随着地球演化而不断变得复杂化和越来越丰富起来。岩石圈的发展客观上也体现了自然地理环境发展的方向性。

1. 地球的发展和它的起源有直接关系。旧的假说认为，地球曾经过一个炽热的液体状态然后凝结成固体。但这与观测到的地球化学事实不符合。现在大多数人相信地球是由固体的冷物质积聚而成的。在积聚过程中，由于放射性元素的蜕变放热，以及原始地球的重力收缩不断使地球增温。地球热能积累到一定程度就可以使地球内部的物质由刚性改变为可塑性，从而为重力分异创造了有利条件。在重力作用下，较重的铁、镍物质缓漫下沉，向地球内部集中；较轻的硅酸盐类物质则缓慢地向上移动，向地表集中。物质的对流导致了物质的分异，最后形成现代地球内部的三个组成部分：地核、地幔、地壳。原始的地壳也分化出花岗岩类型的硅铝层和玄武岩类型的硅镁层。

在大气圈、水圈形成的初期，岩石圈的岩石以火成岩及其机械风化产物占绝对优势，沉积岩极为罕见。大约在太古代，地球表面逐渐开始发生沉积作用。那时，除了火山之外还有广袤的海洋。在太古代早期（34 亿年前）， 海洋里沉积了条带状的铁矿、砂岩和泥质岩。到了太古代晚期，开始出现碳酸盐岩，如白云岩、白云质石灰岩等。但那个时候的沉积作用没有有机体参加，只能形成化学沉积物。到了元古代，有机体开始参与沉积岩的形成过程。在元古界的岩层中，已经发现有细菌和藻类等有机体的化石。如厚度很大的元古界石英岩层就含有铁细菌化石。随着有机界的发展、生物地球化学作用

的加强，生物化学沉积岩也越来越丰富。在晚古生代的泥盆纪，海洋中的腕足类动物遗骸已形成了巨厚的碳酸钙质沉积层。在石炭-二叠纪，世界许多地方都发生了煤的堆积。

总之，组成岩石圈的岩石，随着自然地理环境发展而不断地进化，由原来火成岩占优势的单调圈层逐渐演化成具有种类繁多的岩石组成的圈层。尤其是沉积岩层的出现更标志着岩石圈发展 的高级阶段，因为它是自然地理环境各圈层相互作用的产物。

1. 地壳的演化具有明显的方向性。根据陈国达创立的地洼学说，地壳演化是多阶段的，已知的有三个阶段，即地槽区（活动区）→地台区（相对稳定区）→地洼区（新的活动区）。就是说，地壳构造的演化过程是活动区和稳定区互相交替更迭的过程。这种交替更迭并非地壳构造单元的简单重复，而是递进的。因为地洼区比地槽区或地台区具有更复杂的结构，体现了地壳发展过程是由简单趋向复杂，由低级趋向高级，螺旋式升进的过程（图5.1）。依此规律，地壳发展除已知的地槽、地台及地洼三个阶段之外，在地槽阶段之前和地洼阶段之后，还可能有其他未被认识的发展阶段（如图 5.1 中 x，y 所示）。

图 5.1 地壳演化过程示意图

1. 与大地构造的发展相联系，随着地槽向地台的演化，大陆的面积也有逐渐扩大的趋势，尽管海侵和海退是交替地出现，但发展的总方向是海洋面积不断缩小，而大陆面积日益增长。图 5.2 是大陆增长的一个例子。在距

今 25 亿年前，北美大陆还比较小，直到最近的地质历史时期，它才具有现在的规模。根据我国南方大陆的研究也表明，我国陆地从西北分阶段向东南扩展。在日本列岛也有类似的现象。

1. 风化壳的发育以及土壤的形成过程也都具有方向性。在风化作用初期，以物理风化为主，粗岩屑的残积层便是风化壳发育初期的代表。当化学风化作用刚开始时，主要是氯化物和硫酸盐被淋失，碳酸盐淋失较少而碳酸钙相对富集，为富钙阶段。随着化学风化作用的加强，不仅氯化物和硫酸盐类大量迁移，而且碳酸盐类也大量淋失，硅和铝相对富集，便进入了富硅铝阶段。最后，二氧化硅和氧化铝分离，硅被淋失，铝相对富集，到达了富铝阶段。

图 5.2 北美陆壳的增长(据陈之荣) 二、大气圈发展的方向性

原始的大气圈大约在 45 亿年前与原始地壳差不多同时出现。蕴藏在地球内部的各种气体元素随着火山爆发大量逸出地表，并被地球重力吸附，形成了原始的大气圈。从现代火山喷发出来的气体成分分析，推测地球的原始大气圈主要由 H2O，CO，CO2，N2，HN3 和 CH4 等所组成。由于没有游离氧，原始大气处于还原态，与现代大气有本质区别。

原始大气在大气圈发展史上占据了漫长的时间，与此同时它的组成也在逐渐发生变化。开始是以二氧化碳和氮的增加为主要标志。原始绿色植物出现以后，植物光合作用中释放的游离氧对原始大气发生缓慢的氧化作用，从

而使大气中的 CO 经氧化而成 CO2，CH4 经氧化而成 H2O 和 CO2，HN3 经氧化而成 H2O 和 N2。于是大气圈中的二氧化碳和氮在不断增加。随着生物的进化和增多，大气中的游离氧也逐渐增多，这对于含有大量 CO 和 CH4 的大气来说， 也就意味着二氧化碳的增多。因此，随着时间的推移，大气中的二氧化碳越来越多，到了距今 19—10 亿年前，它在大气组成中取得优势地位，从而使原始大气转变成二氧化碳大气。

由于生物继续发展，尤其是陆生植物大量出现，光合作用广泛而持续进行，氧气不断从二氧化碳中分解出来，使得大气中的氧越来越多，而二氧化碳逐渐稀释，有人推测，大气中的游离氧在距今 30 亿年前约为现代游离氧水平的 0.1%，20 亿年前增加到 1%，10 亿年前增加到 10%，此后，大气中的游离氧又经过多次变动，然后达到现代的水平。大气中氧含量的增加导致了一个对生物进化极有意义的事件，那就是大气臭氧层的出现。

大气中氮气的增加除与氨的不断氧化有关，还直接取决于生物的发展。生物在其生存期间要吸收环境中的氮化合物，供体内合成蛋白质等复杂有机物。当动植物及动物粪便腐烂时，蛋白质一部分直接转化为氮，另一部分转变为氨和铵盐；氨在游离氧的作用下又会转变为氮。氮是一种化学性质不活泼的气体，在常温下并不与其它元素化合，因此它就在大气中越积越多，终于成为大气圈的主要成分。

总之，大气圈的发展沿着这样一种方向：原始大气→二氧化碳大气→现代大气。地球现代大气就是氮、氧大气。

三、水圈发展的方向性

在地球形成的初期，地球上的水绝大部分以结晶水的形式贮存于地球内部。后来地内温度逐渐升高，结晶水转化为水汽，这些水汽通过火山活动等方式逸出地表。但由于当时逸出地表的水汽不多，而地表温度又很高，所以这些水汽不能以液体形式降至地面，地表没有形成任何水体。随着时间的推移，大气中水汽增多而地表温度降低。大约在太古代初期，地表温度降至水的沸点以下时，一部分水汽就凝结成液态水，降落到地面，汇集于原始的洼地之中，形成最早的江河湖海，也即原始的水圈。以后，由于水量逐渐增加以及地壳沧桑巨变，原始水圈就逐渐发展为今天这样具有汪洋大海和各种湖河沼泽的生机勃勃的现代水圈了。

在原始水圈中，刚形成的海洋水量很少，含盐量很低，组成也与现代海水大相径庭。只是在后期漫长的演化过程中，随着陆地表面的风化作用和径流作用发展，陆地上各种无机盐类矿物元素不断经由河流注入海洋，才使海水含盐量逐渐增加。据估计，元古代后期世界海水的盐度达到 10—25％。而现代海水平均的盐度已达 35‰。另一方面，海洋生物在海水的演化过程中起了积极的作用，它改造了海水的组成成分，因为海洋生物大量吸收和利用海水中碳酸钙一类的碳酸盐矿物质来建造自己的骨骼和外壳，使得原始海水的碳酸盐含量大为减少；而氯化物（主要是氯化钠）却积存下来，久而久之， 海水中氯化物含量就愈来愈高，形成了今天海水的盐分以 NaCl 和 MgCl2 为主的组成特点（表 5. 1）。

表 5.1 海水的主要盐分含量

四、生物圈发展的方向性