‘壹’ 地球系统的物理化学环境与形成物
1.自然物质混杂系统及其物理化学条件
地球及其各层圈和地质体的化学组成、元素的空间分布具明显的不均匀性,同时元素所处的物理化学条件如元素组成、温度、压力和应力场等也具有千变万化的多样性,因此根据化学热力学理论可以把地球划分为尺度不等的热力学系统,称为地球物质能量系统。地球在宏观上具有时空多层次系统结构,并存在多阶段叠加演化的特征。
地球系统中元素之间的相互作用与人为控制的化学反应存在显着差异,这是由于自然体系的组成和物理化学条件不是人为设定的,而是由诸多宏观因素约束自发形成的。化学元素在地球系统内的行为习性与地球所处的物理化学条件密切相关,而在地球以外的环境中,如在陨石或其他天体上,元素的化学行为和状态将是完全不同的情景。地壳和地球范围内的自然体系条件和自然过程有以下特点:
1)温度、压力等变化幅度与实验室条件相比是有限的,有限的物理化学条件限制了自然化合物的种类。如地壳和上地幔的温度变化幅度为-80～1800℃,压力由百分之几帕至1010Pa (十万大气压)。现代实验条件可以从接近绝对零度(0.00001K)到超高温50000℃ (等离子火焰),以至到 10 000 000℃ (聚核反应);压力条件可由真空到 1.2× 1011 Pa。
2)多组分的复杂体系。自然作用体系中大量化学组分共存,可看成多种类物质混杂的系统,各种组分浓度相差悬殊。任意一个地球化学系统都可以看成是由 90 种元素和354 种核素组成的,作用过程中元素以其各自的丰度来决定参加化学反应的量比,这与在实验室通常为高纯试剂的给定组分体系所实现的化学反应有显着区别。地壳、地球中阴/阳离子的总摩尔数不相等,阴离子总数远小于阳离子总数,这是自然化学反应体系原子比的基本特征。
3)地球化学体系是开放系统,自然过程具单向发展演化的特征。地球化学作用中体系与环境之间存在充分的物质和能量交换,由于外来成分加入不断改变系统内作用的性质和条件。因此,地球化学过程具有分阶段单向演化的特征。
4)地球化学过程是自发进行的不可逆过程。反应进行的方向、速率和限度受体系能量效应制约。由于作用的能源主要来自地球本身和太阳能,因此地球热量和太阳能的空间分布控制着地球化学过程进行的规模和强度。同时,由于自然体系为多相多组分体系,化学反应还受动力学因素制约,作用过程具有非平衡性和不彻底性,体系的能量效应为制约杠杆。
2.地球和地质作用产物特征
由于上述各方面因素的影响,使自然作用产物具有以下特点:
1)自然稳定相 (矿物和有机化合物)及各种流体相的总数有限。自然界的核素和元素种类很多,但其丰度差异悬殊,因此自然化合物和单质的种类有限。迄今所发现的矿物总数约有3000多种,矿物化合物大类只有7种,矿物总族数不过200种。而实验室中人工制取的无机化合物总数达30多万种。据统计生物细胞中存在的有机化合物为10万多种;自然界存在的动植物种数达200万种。而人工制取加自然产出的以碳骨架为基础的有机化合物总数达2000多万种。因此,地球的物理化学条件的有限范围约束了矿物的总数和种类,同时自然产出和人工合成的有机物数量又明显多于无机化合物。
2)元素形成自然分类组合。如果按阴离子分类,地壳中的矿物相只有含氧化合物、硫化物、卤化物、自然元素类和稀少的砷化物、硒化物、碲化物等类型的无机化合物,以及另一大类以碳氢骨干为基础的有机化合物。
3)与各种阴离子结合的阳离子也组成特征各异的共生元素组合。如 Cu、Pb、Zn 等主要形成硫化物组合;K、Na、Ca、Mg、Al、Si,以及 Nb、Ta、Zr、Hf、REE 等倾向形成硅酸盐和氧化物 (或含氧盐)组合;Au、Ag、Fe 和 Pt 族元素等易形成单质和金属互化物。
4)自然稳定相 (矿物)都不是纯的化合物,几乎每一种矿物都是一个成分复杂、含量有一定变化范围的混入物系列。这些混入物杂质在地球范围内大多数丰度不高,属微量或痕量存在的元素。
5)在地壳的物理化学条件下,相似的物质组成会使自然作用产物的类型重复出现。如不同的岩石大类和不同的矿床类型分别由各具特征的矿物组合构成,表现为矿物之间有规律的共生组合和重复形成的特征。
地球化学的任务是研究在地球等自然环境中原子间自发进行的化学反应的规律和自然产物的特征。地球的物理化学条件、元素在自然体系中的丰度以及原子的基本物理化学性质等决定了元素在自然界的结合和共生规律。习惯上称为元素的结合习性或元素的地球化学行为。
‘贰’ 地球的演变过程
地球的演变是一个漫长而复杂的过程：
150亿年前宇宙的诞生奠定了地球产生的物质基础。地球作为一个行星起源于46亿年以前的原始太阳星云。
此后，地球系统由简单到复杂，各个组成部分既相互联系又相互影响。地球系统的运动及运动带来的形貌变迁、生命现象和生命活动共同构成了地球的历史。
地球的形成：
对地球起源和演化的问题进行系统的科学研究始于十八世纪中叶，至今已经提出过多种学说。一般认为地球作为一个行星，起源于46亿年以前的原始太阳星云。地球和其他行星一样，经历了吸积、碰撞这样一些共同的物理演化过程。
形成原始地球的物质主要是星云盘的原始物质，其组成主要是氢和氦，它们约占总质量的98%。此外，还有固体尘埃和太阳早期收缩演化阶段抛出的物质。在地球的形成过程中，由于物质的分化作用，不断有轻物质随氢和氦等挥发性物质分离出来，并被太阳光压和太阳抛出的物质带到太阳系的外部，因此，只有重物质或土物质凝聚起来逐渐形成了原始的地球，并演化为今天的地球。水星、金星和火星与地球一样，由于距离太阳较近，可能有类似的形成方式，它们保留了较多的重物质；而木星、土星等外行星，由于离太阳较远，至今还保留着较多的轻物质。关于形成原始地球的方式，尽管还存在很大的推测性，但大部分研究者的看法与戴文赛先生的结论一致，即在上述星云盘形成之后，由于引力的作用和引力的不稳定性，星云盘内的物质，包括尘埃层，因碰撞吸积，形成许多原小行星或称为星子，又经过逐渐演化，聚成行星，地球亦就在其中诞生了。根据估计，地球的形成所需时间约为1千万年至1亿年，离太阳较近的行星（类地行星），形成时间较短，离太阳越远的行星，形成时间越长，甚至可达数亿年。
陆地的起源：
有关大陆的起源问题，地质和地球物理学家杜托特（A. L. Du Toit）于1937年在他的《我们漂移的大陆》一书中提出了地球上曾存在两个原始大陆的模式。如果这个模式成立，那么这两个原始大陆分别被称为劳亚古陆（Lanrasia）和冈瓦纳古陆（Gondwanaland）；这实际上就象以前魏格纳等人所主张的那样，把全球大陆只拼合为一个古大陆。杜托特认为，两个原始大陆原来是在靠近地球两极处形成的，其中劳亚古陆在北，冈瓦纳古陆在南，在它们形成以后，便逐渐发生破裂，并漂移到今天大陆块体的位置。
大洋的起源与演化：
对于大陆漂移学说，并非一开始就得到许多人支持的，因为当时对引起大陆漂移的机制，即力源问题并没有很好解决。1931年，霍姆斯等人提出了地幔对流学说，用于解释大陆漂移的力源，然而这个观点在当时很少受到人们的注意。19世纪后期，有人建立了地球收缩的全球构造学说，用于解释地球上为什么会有如此大规模的造山运动。然而，本世纪50年代以后，随着全球性大洋中裂谷的巨大拉张性证据的发现，收缩学说被普遍放弃了，与此同时，地球膨胀学说很快流行起来。膨胀说认为，地球开始时很小，直径是现今地球的一半。由于地球大幅度膨胀，原始地壳裂开成为现在的大陆，裂开的地方经过不断发展成为现代的大洋盆地。并且，由于地球的大幅度膨胀引起的所谓大陆漂移，表明大陆块基本上是停留在原地的，即各大陆之间和大陆相对于地幔之间并没有发生过显着的移动。由于膨胀说无法解释大陆地壳上广泛发育的褶皱山脉构造特征是怎么形成的，霍姆斯等人的地幔对流说很快再次被重视。60年代初，随着洋底探测资料的迅速积累，赫斯（H. H. Hess）和迪茨（R. S. Dietz）首先把地幔对流方案发展为海底扩张的学说。赫斯在1962年发表了《大洋盆地的历史》一文，提出了大洋起源的新观点，即海底扩张理论。赫斯认为洋底的主要构造就是由地幔对流作用的直接表现。海底扩张理论证明，大陆和洋底是在对流着的地幔上被动地移动着，而不像早期的大陆漂移说所主张的大陆在洋底上主动漂移。海底扩张理论提出后不久，一些别的洋底观测结果，诸如洋底地壳构造、地磁、地震震源和地热流量分布等对这个理论提供了有力证据。这种情况下，使得大部分的学者都转向了关于海底扩张的研究。现在已经普遍确认，可以用海底扩张和板块运动理论解释大洋起源和演化，大洋盆地的固定论看来是过时了。海底扩张和板块构造学说对大洋的起源和演化的理论解释的基础都是地幔对流说。