『壹』 地球系統的物理化學環境與形成物
1.自然物質混雜系統及其物理化學條件
地球及其各層圈和地質體的化學組成、元素的空間分布具明顯的不均勻性,同時元素所處的物理化學條件如元素組成、溫度、壓力和應力場等也具有千變萬化的多樣性,因此根據化學熱力學理論可以把地球劃分為尺度不等的熱力學系統,稱為地球物質能量系統。地球在宏觀上具有時空多層次系統結構,並存在多階段疊加演化的特徵。
地球系統中元素之間的相互作用與人為控制的化學反應存在顯著差異,這是由於自然體系的組成和物理化學條件不是人為設定的,而是由諸多宏觀因素約束自發形成的。化學元素在地球系統內的行為習性與地球所處的物理化學條件密切相關,而在地球以外的環境中,如在隕石或其他天體上,元素的化學行為和狀態將是完全不同的情景。地殼和地球范圍內的自然體系條件和自然過程有以下特點:
1)溫度、壓力等變化幅度與實驗室條件相比是有限的,有限的物理化學條件限制了自然化合物的種類。如地殼和上地幔的溫度變化幅度為-80～1800℃,壓力由百分之幾帕至1010Pa (十萬大氣壓)。現代實驗條件可以從接近絕對零度(0.00001K)到超高溫50000℃ (等離子火焰),以至到 10 000 000℃ (聚核反應);壓力條件可由真空到 1.2× 1011 Pa。
2)多組分的復雜體系。自然作用體系中大量化學組分共存,可看成多種類物質混雜的系統,各種組分濃度相差懸殊。任意一個地球化學系統都可以看成是由 90 種元素和354 種核素組成的,作用過程中元素以其各自的豐度來決定參加化學反應的量比,這與在實驗室通常為高純試劑的給定組分體系所實現的化學反應有顯著區別。地殼、地球中陰/陽離子的總摩爾數不相等,陰離子總數遠小於陽離子總數,這是自然化學反應體系原子比的基本特徵。
3)地球化學體系是開放系統,自然過程具單向發展演化的特徵。地球化學作用中體系與環境之間存在充分的物質和能量交換,由於外來成分加入不斷改變系統內作用的性質和條件。因此,地球化學過程具有分階段單向演化的特徵。
4)地球化學過程是自發進行的不可逆過程。反應進行的方向、速率和限度受體系能量效應制約。由於作用的能源主要來自地球本身和太陽能,因此地球熱量和太陽能的空間分布控制著地球化學過程進行的規模和強度。同時,由於自然體系為多相多組分體系,化學反應還受動力學因素制約,作用過程具有非平衡性和不徹底性,體系的能量效應為制約杠桿。
2.地球和地質作用產物特徵
由於上述各方面因素的影響,使自然作用產物具有以下特點:
1)自然穩定相 (礦物和有機化合物)及各種流體相的總數有限。自然界的核素和元素種類很多,但其豐度差異懸殊,因此自然化合物和單質的種類有限。迄今所發現的礦物總數約有3000多種,礦物化合物大類只有7種,礦物總族數不過200種。而實驗室中人工製取的無機化合物總數達30多萬種。據統計生物細胞中存在的有機化合物為10萬多種;自然界存在的動植物種數達200萬種。而人工製取加自然產出的以碳骨架為基礎的有機化合物總數達2000多萬種。因此,地球的物理化學條件的有限范圍約束了礦物的總數和種類,同時自然產出和人工合成的有機物數量又明顯多於無機化合物。
2)元素形成自然分類組合。如果按陰離子分類,地殼中的礦物相只有含氧化合物、硫化物、鹵化物、自然元素類和稀少的砷化物、硒化物、碲化物等類型的無機化合物,以及另一大類以碳氫骨幹為基礎的有機化合物。
3)與各種陰離子結合的陽離子也組成特徵各異的共生元素組合。如 Cu、Pb、Zn 等主要形成硫化物組合;K、Na、Ca、Mg、Al、Si,以及 Nb、Ta、Zr、Hf、REE 等傾向形成硅酸鹽和氧化物 (或含氧鹽)組合;Au、Ag、Fe 和 Pt 族元素等易形成單質和金屬互化物。
4)自然穩定相 (礦物)都不是純的化合物,幾乎每一種礦物都是一個成分復雜、含量有一定變化范圍的混入物系列。這些混入物雜質在地球范圍內大多數豐度不高,屬微量或痕量存在的元素。
5)在地殼的物理化學條件下,相似的物質組成會使自然作用產物的類型重復出現。如不同的岩石大類和不同的礦床類型分別由各具特徵的礦物組合構成,表現為礦物之間有規律的共生組合和重復形成的特徵。
地球化學的任務是研究在地球等自然環境中原子間自發進行的化學反應的規律和自然產物的特徵。地球的物理化學條件、元素在自然體系中的豐度以及原子的基本物理化學性質等決定了元素在自然界的結合和共生規律。習慣上稱為元素的結合習性或元素的地球化學行為。
『貳』 地球的演變過程
地球的演變是一個漫長而復雜的過程：
150億年前宇宙的誕生奠定了地球產生的物質基礎。地球作為一個行星起源於46億年以前的原始太陽星雲。
此後，地球系統由簡單到復雜，各個組成部分既相互聯系又相互影響。地球系統的運動及運動帶來的形貌變遷、生命現象和生命活動共同構成了地球的歷史。
地球的形成：
對地球起源和演化的問題進行系統的科學研究始於十八世紀中葉，至今已經提出過多種學說。一般認為地球作為一個行星，起源於46億年以前的原始太陽星雲。地球和其他行星一樣，經歷了吸積、碰撞這樣一些共同的物理演化過程。
形成原始地球的物質主要是星雲盤的原始物質，其組成主要是氫和氦，它們約占總質量的98%。此外，還有固體塵埃和太陽早期收縮演化階段拋出的物質。在地球的形成過程中，由於物質的分化作用，不斷有輕物質隨氫和氦等揮發性物質分離出來，並被太陽光壓和太陽拋出的物質帶到太陽系的外部，因此，只有重物質或土物質凝聚起來逐漸形成了原始的地球，並演化為今天的地球。水星、金星和火星與地球一樣，由於距離太陽較近，可能有類似的形成方式，它們保留了較多的重物質；而木星、土星等外行星，由於離太陽較遠，至今還保留著較多的輕物質。關於形成原始地球的方式，盡管還存在很大的推測性，但大部分研究者的看法與戴文賽先生的結論一致，即在上述星雲盤形成之後，由於引力的作用和引力的不穩定性，星雲盤內的物質，包括塵埃層，因碰撞吸積，形成許多原小行星或稱為星子，又經過逐漸演化，聚成行星，地球亦就在其中誕生了。根據估計，地球的形成所需時間約為1千萬年至1億年，離太陽較近的行星（類地行星），形成時間較短，離太陽越遠的行星，形成時間越長，甚至可達數億年。
陸地的起源：
有關大陸的起源問題，地質和地球物理學家杜托特（A. L. Du Toit）於1937年在他的《我們漂移的大陸》一書中提出了地球上曾存在兩個原始大陸的模式。如果這個模式成立，那麼這兩個原始大陸分別被稱為勞亞古陸（Lanrasia）和岡瓦納古陸（Gondwanaland）；這實際上就象以前魏格納等人所主張的那樣，把全球大陸只拼合為一個古大陸。杜托特認為，兩個原始大陸原來是在靠近地球兩極處形成的，其中勞亞古陸在北，岡瓦納古陸在南，在它們形成以後，便逐漸發生破裂，並漂移到今天大陸塊體的位置。
大洋的起源與演化：
對於大陸漂移學說，並非一開始就得到許多人支持的，因為當時對引起大陸漂移的機制，即力源問題並沒有很好解決。1931年，霍姆斯等人提出了地幔對流學說，用於解釋大陸漂移的力源，然而這個觀點在當時很少受到人們的注意。19世紀後期，有人建立了地球收縮的全球構造學說，用於解釋地球上為什麼會有如此大規模的造山運動。然而，本世紀50年代以後，隨著全球性大洋中裂谷的巨大拉張性證據的發現，收縮學說被普遍放棄了，與此同時，地球膨脹學說很快流行起來。膨脹說認為，地球開始時很小，直徑是現今地球的一半。由於地球大幅度膨脹，原始地殼裂開成為現在的大陸，裂開的地方經過不斷發展成為現代的大洋盆地。並且，由於地球的大幅度膨脹引起的所謂大陸漂移，表明大陸塊基本上是停留在原地的，即各大陸之間和大陸相對於地幔之間並沒有發生過顯著的移動。由於膨脹說無法解釋大陸地殼上廣泛發育的褶皺山脈構造特徵是怎麼形成的，霍姆斯等人的地幔對流說很快再次被重視。60年代初，隨著洋底探測資料的迅速積累，赫斯（H. H. Hess）和迪茨（R. S. Dietz）首先把地幔對流方案發展為海底擴張的學說。赫斯在1962年發表了《大洋盆地的歷史》一文，提出了大洋起源的新觀點，即海底擴張理論。赫斯認為洋底的主要構造就是由地幔對流作用的直接表現。海底擴張理論證明，大陸和洋底是在對流著的地幔上被動地移動著，而不像早期的大陸漂移說所主張的大陸在洋底上主動漂移。海底擴張理論提出後不久，一些別的洋底觀測結果，諸如洋底地殼構造、地磁、地震震源和地熱流量分布等對這個理論提供了有力證據。這種情況下，使得大部分的學者都轉向了關於海底擴張的研究。現在已經普遍確認，可以用海底擴張和板塊運動理論解釋大洋起源和演化，大洋盆地的固定論看來是過時了。海底擴張和板塊構造學說對大洋的起源和演化的理論解釋的基礎都是地幔對流說。