20 世纪 60 年代，阿波罗号宇航员首次传回了颗粒状地球黑白照片，1970 年 1 月，《时代》杂志刊载了从太空拍摄的第一张地球彩照，惊讶无比的人类立刻面临两个明显的事实。首先，地球是一个极其美丽的宇宙天体，在漂浮的白云下，深蓝的大海与褐绿相间的大陆相互作用。其次，地球这颗行星看起来非常孤独和脆弱，它是一个挤满生命的、微小而自足的天体，与周围广袤、“空虚”的太空形成鲜明对比（参见图 2.6）。正如我们后面还会讲到的，当前许多科学家将地球视为一个连通的体系，在那里，所有化合物（有机的和无机的）和谐一致地运作，以便维持这颗行星和生物圈。在这一部分和下一部分，我们会考察当前科学理论对地球如何最终成为目前形态做出的解释，在 20 世纪 60 年代，地球的这种图景深深吸引了首次看到它们的宇航员和肃然起敬的人类。

图 2.6　从太空看到的地出。

1968 年“阿波罗号”宇航员拍摄的美丽的“地球生命船”

地球结构的形成：分化

在考察地球历史的各个阶段之前，我们需要解释的第一个过程，就是早期地球（来自太阳的第三块石头）的形成。我们都知道，早期地球十分炽热，原因在于它与星云残余物不断的激烈碰撞、内部放射性物质的衰变、引力的挤压效果带来的内部压力的不断增加。在热量增加、温度升高的情况下，地球所含有的铁和镍开始熔化，由此发生化学分化（chemical differentiation）过程。由于引力作用，熔融的重金属沉入地球中心，很快（从地质时间来说）形成了高密度的铁核。

同时，地球的熔化促使质量较轻的熔岩上升到地球表面，然后它们在那里凝固形成原始地壳，即地球表面薄薄的一层（类似于蛋壳）。地壳的岩石物质包含大量硅和铝；较少的钙、钠、钾、镁和铁；还有一些重金属元素，如金、铅以及铀。自化学分化开始以后，原始地壳由于侵蚀作用而不复存在或发生剧烈改变，因此，我们很少获得关于它的最初构成的直接证据。即使使用放射测年方法，早期大陆地壳形成的确切年代还有待地质学家不断研究。不过，通过测定迄今为止所发现的最古老岩石的年代，我们得到的数据大约是 40 亿年，因此，我们的推测就是，原始地壳至少形成于 40 亿年前。

地球的结构

地质学家使用两种标准描述地球的结构。地层可以通过它们的化学成分和物理属性得到界定。地球由地壳、地幔和地核构成。地壳又分为海洋地壳和大陆地壳。较薄的海洋地壳主要由黑色火成岩构成，这种岩石是熔融的矿物质凝固形成的。它的厚度大约是 8 千米。更厚的大陆地壳的平均厚度是 40 千米，不过，在大山地区厚达 64 千米。大陆地壳含有不同类型的岩石。一般而言，上层大陆地壳的成分主要是花岗岩，下层主要是玄武岩。

到目前为止，我们发现，地幔占地球体积的绝大部分（超过 80%）。地幔是固体岩区域，厚度达 2900 千米。在地壳和地幔结合处，地质学家发现了化学成分的重要变化。上地幔主要由橄榄岩组成，这是一种粗糙的火成岩，富含镁。更深处地幔被挤压形成密度更大的晶态结构。地核的化学成分被认为是铁和镍，以及少量其他元素，它们与铁形成合金。在地核的极端压力之下，这些元素的密度大约是水密度的 14 倍。

地球结构的物理属性受到更深处不断增强的压力的影响，同时也受到地球由外向内急剧上升的温度的影响。尽管还没有收集到直接证据，不过，最好的估计就是，在 96 千米深处，地球温度大约处于 1200 到 1400 摄氏度之间，而地核的温度超过 6700 摄氏度。地核的极端高温表明，地球保留了它在形成时期（通过吸积方式）获得的大量热能。依据物理属性，地球主要被分为五层：岩石圈（地壳和上地幔顶部）、软流层（更深和更热的地幔层）、中间圈（介于软流层与外核之间的区域）、外核和内核。

岩石圈（lithosphere）和软流层（asthenosphere）是地球最外层，构成地壳和上地幔。这些地层就像一个冰凉而坚硬的整体那样活动。岩石圈平均厚度为 96 千米，不过，在更古老的大陆下面，它要厚一点；软流层贯穿上地幔，厚度大约 640 千米。软流层顶部有一个相对高温区，那里会发生熔融现象，从而使得上面的岩石圈可以单独活动。就板块构造理论来说，这个事实非常重要，本章后面会对此进行讨论。

中间圈是指下地幔，尽管那里的温度依然很高，不过，逐渐增强的压力让更不稳定的软流层下面的岩石变得更坚硬。更加刚性的中间圈的厚度，在 660 千米到 2900 千米之间。更深处是外核和内核，它们有着完全不同的物理属性。外核是一种液体层，厚度大约为 2260 千米。外核中液态铁的流动创造了地球磁场。球形内核（半径 1206 千米）温度极高，不过，由于巨大压力的作用，它活动起来更像是固态的（参见图 2.7）。

图 2.7　地球的结构。

地球的结构包括内核、外核、下地幔、上地幔以及地壳

科学家如何了解地球的结构？

或许很多人都想知道，科学家是如何了解地球的内部结构的。他们当然不可能为了直接观察而在地球上挖一个足够深的洞；事实上，世界上最深的矿井（位于南非境内）也只有 4 千米，而迄今最深的钻孔位于俄国科拉半岛，1992 年，它深入地下大约 12 千米。近来，加州科学家正在打一个预计深度为 3.2 千米的钻孔，目的在于建造世界上第一座地下观测台来观测活跃的圣安德烈亚斯断层（San Andreas Fault）。

由于不存在直接观测到或受到检验的证据，因此，我们当前对地球结构的理解，只是通过间接证据推测的结果。科学家能够测量到的，就是在地球内部传播的地震波。这些地震波穿透地球内部，在经过具有不同化学和物理属性的区域时，会改变速度或发生弯曲。通过使用现在全球各地都安装的测震仪——1880 年被制造出来的一种仪器，用于测量在地球上传播的能量波——计算机就能够对地震波进行分析，并且建构地球层级结构图。

地质学家也使用从地球表面收集的、最初形成于地幔的岩石，来论证地球的内部成分。实验室所分析的含有钻石的岩石样本表明，只有在地球深处 190 千米以外那种高温环境下，它们才能够形成。在世界各地，包括塞浦路斯、纽芬兰和阿曼在内，我们也发现了伸出海平面之上的部分地幔。地表尚不存在地核的样品，不过，所有间接证据（尤其是磁力学原理）都表明，地核主要是由铁元素构成。陨石提供了辅助性证据，因为它们是形成类地行星的物质样品。陨石的成分主要是铁、镍和硅酸盐，它们是在太阳周围形成的太阳星云的残留物。与地壳和地幔相比，陨石所含的铁要多很多，因此，唯一可能的结论就是，在发生化学分化时，大量的铁沉入地球的核心。

第一个 10 亿年

地质学家把 45 亿年的地质史分为不同的时间单元。宙（eon）的时间跨度最大，它又被细分为不同的代（era）。代又被分为更小时间单位纪（period），纪再次细分为更小的世（epoch）。不过，详细的地质学时间表只是开始于寒武纪，即大约 5.4 亿年前，寒武纪是多细胞生物形式出现的标志（参见下一章）。此前 40 亿年被分为三个宙：冥古宙、太古宙以及元古宙。

冥古宙（the Hadean eon）：大约从 45 亿年前延续到 38 亿年前。这个名称来自古希腊人的冥界，即亡灵居住的地方。地质学家将我们地球历史的这个最早阶段称为冥古地球，因为它是十分“可怕的”一个地方。在冥古宙，这颗行星的主要成分都形成了，并且也各有其位，不过，它们与今天的面貌完全不同。对地球学家来说，由于不可能进行直接观察，因此，地球历史的第一个 10 亿年是一段“失去的时期”，科学对冥古宙的重建工作，很大程度上依靠设想和推断。

即便如此，科学还是能够对大约 40 亿年前的地球（也就是大约在它形成 5 亿年之后）做出很有说服力的描述。那时的天空很可能是红色，因为大气中含有大量二氧化碳。太阳昏暗、月球离地球更近，每天只有 15 个小时，地球表面不断被从天而降的陨石和彗星撞击。

与今天相比，冥古地球的大气完全不同。它有更多乌云，也更厚，从而可以保护地面，并且防止快速的冷却。没有自由氧，不过，存在许多对今天生命形式有害的气体。其中可能包括二氧化碳（80%）、甲烷（10%）、一氧化碳（5%）以及氮（5%）。地球这颗行星也可能存在温室效应，因为大气中大量二氧化碳将太阳热量截留在地表，带来长期的全球变暖。冥古宙早期，海洋也不存在。地表及其上空的温度很高，地表水完全蒸发（水蒸气停留在大气的浓密乌云中），大地多火山，处于熔融状态。在任何旁观者看来，这种环境下生命出现的可能似乎微乎其微！

不过，大量持续不断的火山活动表明，地球在地质学上是活跃的，因此，也会发生变化。事实上，在第一个 10 亿年，冥古地球的物理和化学特征是稳定的。当这颗行星冷却下来，地面温度降到水的沸点以下时，大气云层中储备的水蒸气得以释放出来，这场暴雨持续几百万年之久。从天而降的雨水注满了地球表面低洼之处，最早的海洋就此形成。连续不断的暴风雨（因含有大量二氧化碳而酸化）很可能洗刷和溶解了大量硅酸盐（它们是原始地壳的成分），这也解释了地质学家为何无法获得来自冥古宙的直接证据。

原始海洋之水的最初来源，依然是天体物理学家和地质学家思考的对象。人们一般认为，构成原始大气的气体和水蒸气是通过火山活动从地球内部喷射出来的，不过，这种观点绝对没有被普遍接受。另一种理论认为，这类物质大多是由彗星撞击地球带来，在最初 5 亿年这种撞击很常见。月球陨石坑证明了撞击的强度，地球很可能也遭到那种击打。在月球和地球上，直径从 5 千米到 500 千米不等的彗星撞击所产生的热量，很可能熔化了地球表面的硅酸盐，破坏了冥古宙的化石证据。

在太阳系最初 2 亿年历史中，尽管大型原行星之间的冲撞逐渐减少，不过，彗星撞击的几率要 5 亿年之后才近乎为零。由此可见，太阳系的行星和其他稳定的天体需要花那么长时间来捕获临近区域的绝大部分残留物。我们前面已经提到，20 世纪 60 年代，“阿波罗号”宇航员从月球带回了撞击熔岩碎片，其放射年代表明，在大约 41 亿年前到 38 亿年前，月球——也意味着地球和其他类地行星——遭到陨石和彗星的大量撞击。如果这些彗星含有大量水和气体，那么，地球（与月球不一样）的质量足以使它们留在大气中。

然而，冥古宙晚期，并非一切事物都稳定下来了。大气中仍然含有大量二氧化碳和其他对人类有害的气体，也没有任何氧气。没有臭氧层来保护地面免遭来自太阳紫外线的伤害，因为臭氧（由三个氧原子构成的氧分子）是氧气的副产品（参见第 3 章和术语表）。到冥古宙晚期，地球变得更冷，基本上被地表水覆盖，受到的撞击少了许多，此时，它已经为太古宙和元古宙时期活的有机物的出现和繁荣做好了准备（参见第 3 章）。

获得大气层

地球现在被一层气体包裹，这就是大气层。大气层 50% 处于海拔 5.6 千米以下，90% 处于 16 千米以下。这层薄薄的气体毯子为我们提供了呼吸的空气，保护我们免遭太阳热量和危险辐射的伤害。科学家把地球大气的历史分成 4 个阶段。

阶段 1：没有大气层。在地球形成的早期阶段，这颗行星太小，没有强大的引力场。任何自由气体（没有发生化学结合）都无法聚在它的周围，而是飘散到太空。

阶段 2：早期大气层——来自排气还是彗星？形成地球最早大气层的气体，可能来自火山喷发，或者是由彗星带来的。前一个过程——被称为排气（outgassing）——的支持者通过对今天火山喷发的气体（主要为二氧化碳和氮气）进行分析，从而对地球早期大气层做出了精确的化学描述。另一种理论认为，彗星供应了气体和水蒸气，这种理论的支持者声称，彗星为地球带来的水是现在的海水的 10 倍，提供的气体是今日大气层气体的 1000 倍。（形成月球的那次碰撞，必定产生了大量热能，最终导致地球完全丧失了到那时为止聚集起来的所有气体和水蒸气。）

阶段 3：氧气革命。我们下一章会了解到，在超过 30 亿年时间里，海洋中漂浮的单细胞生物缓慢进化，最终获得光合作用的能力，光合作用是指太阳光、水和二氧化碳转化为氧气和富含能量的碳水化合物。当光合作用发生时，这些活的有机体吸收大气中大量二氧化碳，将它们转变为氧气，这样，大气的化学成分被慢慢改变。一开始，氧气与铁结合形成红色的、带有铁锈的岩石带；只有当大部分露天的铁元素变成铁锈之后，自由氧才开始在大气中积累起来。

阶段 4：今日大气层。因此，光合作用造成了今日大气层，它的构成为：氮气 78%，氧气 21%，氩气、二氧化碳和其他气体占 1%。这个令人惊奇的事例证明了活的有机体塑造地球表面的能力。没有生命存在的行星的大气完全不同，由于缺乏能够不断改变表面化学成分的光合作用过程，因此，它们仅仅受到物理和化学进程的塑造。火星大气的密度只有地球的 1%，主要由二氧化碳和少量水蒸气构成。木星大气由淡云区（气体在那里上升和冷却）和乌云区（气体在那里下降）交替主导。这就导致高速飓风和大暴风，比如 1974 年先驱者 11 号从 42000 千米高的太空观测到的红巨斑。自工业革命以来，尤其自 20 世纪后半期以来，地球大气层不断受到化学物质的攻击，造成灾难性全球变暖有出现的可能，本书结尾处会讨论这个问题。人类对今天大气层的影响，再次让人想到生命如何塑造了我们的地球。

由此可见，在塑造物理地球的那些进程中，活的有机体显然扮演了至关重要的角色，这意味着，地质进程和有机进程是密切联系在一起的。尽管我们意识到它们之间的这种联系，不过，本章内容主要关注地质进程以及少量有机进程，如生命有机体的沉积，这种沉积有助于创造对地球历史非常重要的沉积岩层。