1 绪论

1. 地球的形成及其演化

“四方上下曰宇，往古来今曰宙”，这是我国古代学者尸佼（公元前四世纪）为宇宙所下的定义，与 20 世纪爱因斯坦提出的宇宙是时间和空间统一体的观点不谋而合。可以认为，是我国学者在世界上首先提出了科学的宇宙观。

作为宇宙中极小一分子的地球，有其空间和时间上的形成和演化过程。人们对这方面的认识也有一个漫长的和递进的过程。到 18 世纪，欧洲处在剧烈的社会变革时期，工业革命高潮正在形成，生产技术的发展刺激着自然科学的进步，大量观测和实验材料的积累给自然观的革命奠定了坚实的基础。恰在其时，由德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯先后独立提出关于地球起源的第一个科学的天体演化理论“星云假说”。康德星云说的重要意义在于给当时占统治地位的形而上学思维观念打开了第一个缺口。这种假说认为：地球的形成是由星云状物质①凝聚的结果。这种星云由尘埃和气体质点组成。原始的星云体积很大，当初曾散布在整个太阳系所占据的空间：星云中质点分布是不均匀的，有的空间较密，有的空间较疏，在引力收缩过程中， 星云范围内的大部分物质向中心集结，逐渐形成了具有一定形体而且开始发光的原始太阳。与此同时，环绕在原始太阳周围的稀疏质点由于互相碰撞， 向原始太阳的某一轨道面集中，而后凝聚为环绕太阳旋转的、包括地球在内的各个行星。

星云假说虽然有其科学和合理的方面，但因这种假说单纯地建立在牛顿力学基础上，不可避免地含有形而上学因素。随着科学技术的进步，人们的思想认识在不断发展，迄今提出过的太阳系演化学说已有 40 多种，有代表性的为俘获说、灾变说，星子说等。这些学说也各有其合理部分，但其中大部分是以现有的事实为基础，又提出一些任意的假说，这样的思想方法不免带有很大的片面性。

无疑，探索太阳系及地球起源的问题确实是有许多困难，因为这是遥远年代前的事，没有人目睹其事。在前人思想和学识的基础上，目前人们确实地认为，在约 46 亿年前，距太阳约 1.5 亿千米处就已存在着具有固态外壳的地球实体。地球形成初期，由于引力收缩产生能量，使这个初生天体变得非常炽热，当然谈不上有大气、海洋、花草鸟兽以至于人类存在。

在地球形成之后的漫长的地质年代，位于宇宙空间的地球逐渐冷却，内中物质同时发生分异作用，使地球逐步分出了不同的圈层，即在地球内部形成了三个同心排列的圈层：地核、地幔和地壳（图 1－1）。打个比方说，地球就像一个煮熟的鸡蛋，其中的蛋黄、蛋白和蛋壳就分别相当于地球内部三个不同的圈层。

地球内部的三个圈层位于不同深度，具有不同物理性质。地球内部的密度、压力和温度都随着深度的增大而增加（表 1－1）。

表 1 — 1 地球内部各圈层物理状态

地核处于地球中心部（即深度超过 2900km 的地层），压力达 30 多万 MPa， 温度可达 2000℃以上。它的主要成分中可能有铁和镍，所以有非常大的密度。地幔是紧紧包在地核外面的一圈，因为它夹于地壳和地核之间，也称中间层。地幔厚度大约有 2900km，其密度和整个地球的平均密度比较接近。在上下地幔层之间有一个软流层，在这里集中着大量放射性物质，所产生的蜕变热使地层呈局部熔融状态，被认为是岩浆的发源地。地壳是地球最外面的一层，其厚度各处不一，最薄的只有 5～6km，最厚的地方有 70～80km，平均是 33km。由地壳和地幔顶部坚硬岩石组成了厚度约 70～100km 的岩石圈。此外，在地球上还分异出了水圈和大气圈。水圈包括地球上的海洋、江河、湖泊、冰川等，按其体积大约占整个地球的千分之一。包围在地球最外面的一层气体就是大气圈，厚度从地面到高空 1000～3000km。大气圈越离开地面越稀薄，100km 高空的大气密度约是地面的百万分之一。地球上有了水和空气， 给生物的发生和发展提供了条件，于是在地球上又形成了生物圈。整个人类的社会活动几乎都是在地球表面的生物圈内进行的。

地球各圈层形成之后，也并不是彼此孤立、静止不变的，而是相互制约、相互渗透、相互影响，不断发展和变化的。原始大气中主要成分可能是 H 和He，通过聚变反应部分转化为重元素 C、N、O，再通过化学反应生成 CH4、NH3 和 H2O 等。此后发生的各种演化过程（特别是长时期的光合作用），使大气圈成分发生了进一步变化，逐渐形成了今天地球大气圈所具有的成分。最初海洋中也没有这么多盐分，由于河流的搬运作用，把地面上的可溶性盐类带入了海洋，通过年长日久的贮积，使海水中含盐量越来越多，达到了目前的水平。地壳也是一直不断地运动着。近代的地质观测表明，地壳是由“漂浮”

在地幔之上的一些板块组成的。这些板块的互相推碰或互相靠拢以至于剧烈碰撞，是一切地壳运动现象的根源。例如，古大陆的分裂，迄今所发生的大陆漂移以及当前发生的火山爆发和地震活动等，全都由这些板块的运动所引起。地壳上连绵不断的山脉和纵横交错的河流也都是地壳运动的产物，它们都各有其发生和发展的历史。

生物圈也是在长时期内渐次演变的，而且与地球表面上的环境变化息息相关。通常人们将整个地质历史划分为五个代和十余个纪，如表 1-2 所示， 最原始的生物发生在太古代晚期，在此后的漫长时期中，生物不断地由低级向高级发展。在距今约 7000 万年的新生代，哺乳动物、鸟类和被子植物开始繁衍昌盛，只是在新生代最晚一个阶段，即第四纪出现了人类，因此人类不过有大约 100 万年的历史。

表 1 — 2 地质年代表

以上所述的地球的产生和演化过程告诉我们，整个地球有一部漫长的历史，生物的出现和进化只是其中的一小段，而人类的历史更是短暂的“一瞬”。地球各圈层的质量和各圈层的化学元素组成分别如表 1-3 和表 1-4 所

示。从表列数据可见，元素氧是各圈层中最普遍存在的元素。

表 1 — 3 地球各圈层的质量

注：①地下水也可归入岩石圈

表 1 — 4 地球及各圈层中元素的质量百分组成

（按元素丰度次序排列）