三、大气圈和水圈的形成与演化

大气圈在地球形成的最初阶段就可能存在，由于这一阶段的地质记录不清，只能通过天体地质情况的类比来获得信息。这时的大气圈可能比较稀薄，主要由 H、He 等元素组成。由于它们密度小，大部分逃离了地球的引力或者结合在矿物的晶格中，所以最初的大气圈存在时间并不长。

地球的排气活动（如火山活动）使大气圈产生了重要的变化，它使得大气圈在冥古宙晚期至太古宙时以 H2O（水汽）和 CO2 为主，其次为 N2、HCl、HF、NH3、CH4、H2S。许多科学家对古老岩石的气体包裹体进行了研究，以便了解地球发展早期的大气成分。Schidlowski（1972）估计早期大气圈中 80

％为水汽，10％为 CO2，5％～7％为 H2S，0.5％～1％为 CO 和 H，还有 HF、

HClCH4 等。Neruchev（1977）估计早期大气圈中 CO2 占 98.8％，N2 占 1.1％

（未考虑水汽）。认为当时大气压力约 7MPa（大致相当于现在大气压力的 70 倍），考虑到 CO2 溶于水的部分，压力可能达到 5～6MPa。Kazansky（1972）领导的科研组对 35 亿年前的石英岩进行气体包裹体研究，证明包体中 CO2 占60％，H2S、HCl、HF 等占 35％。

总之，早期大气缺氧，以 CO2、H2O 为主，其次为酸性气体。由于 CO2 和H2O 的温室效应，当时的大气温度较高，热雨频繁。据 Knaut 和 Epstein（1976）估计当时的地表温度约为 70℃，海水的温度更高，由于当时大气压力高（以7MPa 计算），水的沸点可达 260°～285℃。

太古宙大气中游离氧没有或很少，末期大气中的氧气仅占 5.5 ％

（Kazansky，1973），这时的氧含量可能与上层大气中的 H2O 受紫外线照射分解有关。太古宙已有生物存在，主要为自养的原核细胞生物。生物的光合

作用产生的氧主要限制在水圈里，并且与 Fe²⁺保持平衡，使其转化为 Fe3O4，形成条带状含铁岩石，所以大气中氧很少。在太阳光及高能紫外线的作用下，水中的光合植物（如蓝藻、绿藻）逐渐增加，氧的生产量越来越多，Fe^{2+
则减少，二者的平衡被破坏，于是较多的氧气在元古宙进入大气圈。}

大气圈中氧的出现或增加又开创了新的细胞和有机体的形成阶段，出现

真核生物。随着有机界的发展，氧的积累又逐渐增加，元古界末期大气中氧含量达到 12％，中生代初达氧含量到 18％。O2 与 NH3 化合产生 N2 和 H2O，而CO2 则由较高的含量逐渐降低到现在的水平。

元古宙时期大气层中 CO2 减少并进入水体中，使得该时期开始形成大量的灰岩和白云岩（碳酸盐岩类）。碳酸盐岩沉积又可释放出氧气逃到大气圈。大气圈中的氧气受紫外线照射，某些氧分子变成氧原子和臭氧，由于它们的强化学活动性，使地表的物质发生氧化，因此显生宙时期开始出现广泛的红色地层堆积（即红层，red beds）。臭氧在光化学作用下不断积累，形成了对有害紫外线的屏蔽。

太平洋、大西洋和印度洋的深海钻探表明，洋底沉积层的年龄均不超过

1.7 亿年，现有各大洋洋底主要是近 2 亿年来海底扩张的产物。但这并不意味着大洋发展历史仅限于中生代以来。自地球上出现了水以后，也就开始了大洋的形成、发展和演化过程。目前最老的沉积岩年龄近 40 亿年，说明当时地球上已有水的存在。

地幔和地壳中有很丰富的结构水（主要存在于矿物的晶体结构中），火山活动使得 H2O 析出。按现在火山喷气的速率计算，自地球形成以来排出的水远比现在水圈中的水少得多，推测在地球形成早期一定存在非常强烈的火山活动。Schopf（1980）认为地球上的大部分水在地质历史的早期阶段便已积聚形成，距今 25 亿年前海水的体积已颇具规模。海洋动物群是海洋演化的见证，海洋动物大多数纲和几乎所有的门在早古生代就已存在，早古生代以来并未演化出新的门类。海洋动物的古老性证明了大洋具有久远的历史。

20 亿年前开始有碳酸盐岩类（主要为白云岩）沉积，海绿石在 12～15 亿年前的岩石中就已存在，层状燧石和富硫沉积物等的存在都说明很早的海洋中就已富有盐分。当时的海洋与现在的海洋有一定的差别，Eh、pH 值都较低。早期的海洋盐度变化可能较大，因为在前古生代发现的许多微生物似乎反映了淡水环境。尽管水圈的主体形成较早，但现在的水圈是逐渐积累起来的。目前关于水圈早期历史的资料较少，对它的形成和发展认识大部分是逻辑上的推测。

大气圈和水圈的形成与发展使得地球表层动力系统逐渐完善。在太阳能的作用下，出现各种气候、水文和地质现象。地球表面的海陆分布变化直接引起地表对太阳光反射率的变化，反射率高气候寒冷，反射率低气候暖热，当然影响地球表面温度变化的因素还较多。许多学者对地球表面温度的变化趋势和历史进行了研究，Knaut 和 Epstein（1976）估计地表年均温在太古宙约为 70℃，元古宙晚期约为 52℃，古生代末约为 20℃，中生代约为 35℃，现在为 15℃。Salop（1977）对地质历史时期的气温和冰川进行了分析和研究，结果如图 12.17。这些结果主要是根据沉积物中同位素资料获得的，不同学者，研究结果存在一定的误差。