2.4 地球的早期演化

地球形成至今已有46亿年的历史，她处于永恒地运动之中，我们今天看到的只是地球演化历史中的一个片断。我们今天所能够得到的关于地球演化的资料，也只是地球演化历史长河中的一些零星信息，但我们依然可以通过这些信息描绘出地球早期演化的一些景象。

陨石冲击事件

地球的起源问题实际上也是太阳系和行星的起源问题。在太阳系演化的早期，形成行星的原始气尘云开始积聚，形成了一系列的环，并形成了一些凝聚中心。这些大大小小的中心开始吸引周边的物质，形成类似小行星岩石块体，并互相撞击。这些岩石块体由于大致处于同一轨道面，且运动方向相似，因此撞击的形式慢慢地发生了变化，形成了一个比周边更大一点的积聚中心，并最终形成了行星和卫星。这次陨石冲击大约发生在距今40亿年前，时间可能长达5～10亿年，月球、水星以及众多的小行星至今仍布满了这次冲击事件的陨石坑（图2-24，图2-25）。而地球、金星、火星等存在较为复杂的内外动力作用过程的行星，表面形态受到了长期的改造，陨石坑保留的数量极其有限，但仍可辨别出陨石冲击的痕迹（图2-26）。陨石冲击事件实际上是太阳系形成中的一个必然过程，陨石冲击事件不仅是行星形成的原因，也是地球圈层分异的主要原因之一。

地球外圈的形成

地球圈层结构的形成与太阳系演化早期陨石冲击事件有着密切的联系。对于岩石行星（类地行星）而言，圈层形成的重要原因是需要有很高的温度使行星处于熔融状态，在重力的作用下按密度发生分异。

地球形成的早期曾经存在一个原始大气圈，其成分与宇宙中的其他天体一样，以氢、氦为主。由于类地行星离太阳的距离比较近，且行星的质量都比较小，所产生的万有引力也比较小，加之氢、氦气体容易向外层空间逃逸，在太阳风的作用下很快就消失了。因此类地行星的大气圈都具有次生的来源，现今地球大气圈的形成与地球的内部析气作用是密切相关的。

陨石冲击事件使得地球表面的温度不断增加，地球大部分的岩石和外来的陨石都处于熔融状态，岩石中的挥发组分从岩石中分离出来，形成了现在大气圈的雏形。早期大气圈的成分和现在的大气圈成分相比有较大的区别，最明显的是氧和二氧化碳含量的变化，二氧化碳的含量相当于现在大气圈的20万倍。水圈的形成也与大气圈的形成相似，在陨石冲击下，陨石和地球岩石中大量的结晶水由于温度的升高从矿物的分子结构中分离出来，形成大量的蒸气。当陨石冲击事件逐渐减少后，地球表面的温度也开始下降，水蒸气凝结成水降到地球表面，并最终形成水圈。由此可见，地球的水圈和气圈都是地球演化的结果，而液态水圈的形成则略晚于气圈。

生命的起源问题是自然科学的三大基础理论问题，目前尚无明确的答案。20世纪60年代，科学家已经发现宇宙中存在大量的有机分子，说明构成生命物质基础的有机物质可以在自然条件下的宇宙空间形成。但从简单的有机分子到生命的诞生则需要经过：有机物小分子→有机物大分子→多分子体系→生命的飞跃过程。

从地球早期大气圈的成分推测，由于早期大气圈中氧的含量很低，臭氧的含量更低，不能有效地阻止太阳紫外线辐射对生命的伤害。因此地球早期的生命最大可能诞生于海洋，因为海洋中富含各种生命繁殖所必需的元素，同时深深的海水阻挡了紫外线对生命的伤害，是生命繁衍最合适的环境。有证据表明，地球在水圈形成之后不久生命就诞生了，在南非巴布顿地区发现了地球上最古老的生命记录距今已经38亿年。在此之前科学家通过地球化学研究的手段已经推测出地球上的生命应该诞生在距今38亿年或者更早的时间。

遍布世界各地的一种最古老的岩石“条带状磁铁石英岩”（世界上许多大型铁矿都产于这种岩石中，我国最古的老迁西群岩石类型也是这种磁铁石英岩，鞍钢、本钢、首钢的矿区也都是这种岩石）可能是生命参与作用的一个证据。大家知道铁的化合物有Fe2+和Fe3+两种形式，FeO溶于水，Fe2O3则不溶于水。在早期陨石冲击事件中，由于大量的陨铁落入地球，地球表层的铁和硅的含量很高，海水中充满了FeO和SiO2。由于大气中氧的含量并不高，所以Fe2+很难被氧化成Fe3+沉积下来，只有在厌氧生物的帮助下，这种过程才可以进行。厌氧生物在繁殖过程中所排出的O2促进了FeO的继续氧化，形成Fe2O3沉积下来，同时由于大量厌氧生物的繁殖使海水逐渐转变成氧化环境，生物大量减少，形成了SiO2的沉积，这样不断地循环反复形成了条带状磁铁石英岩。这个过程也逐渐地改变了大气圈的化学成分，使大气中的CO2逐渐减少O2逐渐增多，慢慢地演变成今天的大气。虽然地球生命诞生已经有很长的历史，但在30多亿年的历史中却没有什么大的变化，基本上是以很低级的单细胞的形式存在的，直到5.7亿年前的寒武纪才发生了地球生命史上的第一次大爆发，地球的生物从此发生了突飞猛进的变化。

地球内圈的形成

陨石冲击事件不仅给地球带来了大量的物质和能量，也使地球的温度急剧升高，并使地球表层处于熔融状态，促进了地球的圈层分异。地球内圈形成和演化的另外一个重要因素是行星的质量，质量决定了行星的内部结构和演化历史。只有质量达到一定值，行星才能够演化成球体，小行星由于质量太小，其外形是随机的。在重力的作用下，行星物质不断分异，重物质向行星内部集中并释放势能，同时放射性物质所释放的能量使地球内部不断地升温，加速了物质的分异，最终形成了内部圈层。在这一过程中，质量从两个方面起作用，一是质量大的星球万有引力也大，与此相关的重力也大，使重力分异作用能有效地进行；二是质量大所含的放射性物质含量也多，由于岩石的热导率很低，大量的放射性元素蜕变产生的能量长期保留在行星的内部，使得行星内部的圈层分异得以长期进行，保持行星活力。

质量越大，这种分异过程也就越长，能量积累也越多，行星的活动性时间也就越长。从地球的大地热流研究看，地球内部向外释放的能量远小于地球内部所产生的能量，因此地球内部的活动还将继续下去。而像水星、火星这种质量较小的行星，现在已经停止了内部的活动。

地球的年龄

近30年来，科学家利用放射性同位素定年方法获得了一系列与地球年龄相关的数据：在澳大利亚西部获得的锆石测得年龄为44亿年，足以表明地球的年龄不会小于这个数据；从月球上获得的岩石所测定的年龄有许多在46亿年以上，由于月球是地球的卫星，也是太阳系的一员，因此地球的年龄应不小于月球的年龄；从大量来自太阳系的陨石获得的年龄也都在46～47亿年之间。根据太阳系起源同一性的基本原理，地球的年龄应在46亿年以上。

进一步阅读书目

陈自悟．从哥白尼到牛顿．北京：科学普及出版社，1980

约翰．D．巴罗著．宇宙的起源．卞毓麟译．上海：上海科学技术出版社，1995

王建华．太阳·地球·月亮．北京：冶金工业出版社，2000

史蒂芬·霍金著．时间简史．许明贤、吴忠超译．长沙：湖南科学技术出版社，2001

Trinh X T著．创世纪宇宙的生成．刘自强译．上海：上海译文出版社，2002