大气的形成和演化

1、大气形成和演化特点2008110014地质学基地班王亚伟摘要：地球形成之初，由于陨石高速碰撞，使整个地球处于熔融状态，火山作用 频繁，CO2、N2和水蒸气、还有部分还原性气体开始逸出，由于地球引力，形 成了最初的大气层。但我们直到现在的地球的大气圈主要成分与形成之初有了很 大变化，特别是O2和CO2的含量发生了巨大的变化。CO2减少的20万倍，而 02从形成之初不含氧气，增加到了现在占大气体积的21%。我们通过对BIF铁 矿、叠层石、红层、煤矿等地质现象进行分析，以二氧化碳的逐渐减少和氧气的 增加为主要线索，对大气演化过程进行一定分析，得到大气形成和演化的特点。关键词：大气圈水圈BIF叠层石红

2、层还原性酸性原始大气层的形成和组分在46亿年以前，地球由一个冰冻的行星受到陨石的强烈、频繁的碰撞，陨 石高速碰撞，其动能转化为内能，产生大量的热，使地球表面达到一千五百摄氏 度，这些星状物体互撞，使地球形成熔融状态，原来包含在陨石中大量气体挥发 出来。由于地球内部核转变能量高，撞击强烈，地球热辐射强，因而地表气温一 直高于水的沸点，水蒸气不能冷凝成水，此时，二氧化碳，氮气和水蒸汽等为主 要的气体成分，几乎全部积聚在大气圈中，形成了最稠密的火山气圈，大气压很 大，这就形成了地球空气的初貌。随着撞击作用和火山活动的频次不断降低和强度不断减弱，撞击作用和火山 喷发产生的尘埃在大气中不断累积使地球接受

3、太阳辐射能减少等因素的作用下， 地球表生系统不断冷却，大气中的水蒸气在高空凝结成液态水，地球表面普遍发 生降水，降水使原来较热的地表快速冷却，在38亿年左右形成水圈，即形成了 原始海洋。在漫长的地球演化过程中，大气圈、水圈并不是一成不变的，而是经 历了复杂的变化。在本文中将以CO2和O2等主要气体的变化为线索，阐述大气 圈的演化历史。早期氧气的产生及其相关证据研究认为，现在占大气成分21%的O2氧气不是来自星状物体的互撞，而是 后来由有机生物形成的。而地球形成之初，大气中CO2是现在的20万倍。这么 巨大的变化是怎样发生的呢？我们认为海洋和大气的演化有着十分密切的关系。 原始海洋海水是酸性的，

4、地球形成之初HCl等气体使得地球早期的海是酸性海。 再从电极电位的角度看，因为碱性介质中铁的氧化产物为难溶物质，能有效降低 其氧化还原电位，使反应能迅速不断地进行：Fe（OH）2+2e-Fe+ 20H-； Eo=-0.88VFe（OH）3+e-Fe（OH）2+ OH-； Eo =-0.56V而在酸性介质，Fe2+氧化成Fe3+的速率则相当缓慢，Fe3+e-Fe2+ ；Eo=+0. 77 V澳大利亚普伦达尔博士对大峡谷沉积层和有机体分析，认为这些岩层每公尺代表 地球寿命约七千年，在哈默斯利的铁层有一千五百公尺，这就是有机体在漫长岁 月中制氧的证据，而不可能是迅速形成的。结合上面的反应化学式，我们

5、认为海 洋在形成之初是酸性的。依据水溶液平衡原理，对于太古代强酸性海水来说，海 水pH值太低致使CO2的活度太低，导致碳酸盐岩不能生成，此时出现的沉积岩 不存在碳酸盐岩类。虽然能利用CO2制造骨骼的珊瑚虫可能出现在31亿年前， 但在中国的西南部的石林中发现最早的石灰石最早大约是二十亿年，也说明在地 球形成二十多亿年后才出现碳酸盐沉积，也进一步证明原始海洋是酸性的。由于地球形成之初nh3 h2s等还原性组分也溶于水中，使海水还具有还原 性，而且海水不断地从热的基性火成岩萃取的Fe2+在热液对流循环系统充当还原 剂；在原始海洋形成时，陆上也会有很多低价铁细粒等被水带入海中。海水的氧 化还原性比大气

6、还强。前寒武出现的全球性的BIF建造，就是早期海洋为酸性和 还原性的有力证据。由于海水为强酸性，PH值也低至足以使大量铁等元素呈低 价离了形式广泛运移。但是，由于海水pH值太低，绝大多数离了不能发生沉淀 而在海水中聚集，以铁为例，在酸性还原性的海水中，Fe以二价存在，溶解在 海水中。当海水中出现氧气后，水中的游离氧将二价铁氧化成三价铁形成沉淀， 根据氢氧化亚铁和氢氧化铁形成沉淀是PH值的不同，（Fe（OH）2=5.5, Fe（OH） 3=2.8）我们可以判断在形成BIF时海水的PH值在2.85.5之间。在澳洲西部和 南部的哈莫里斯超大型铁矿就是前寒武的BIF铁矿之一，铁矿为褐红色或红色， 认为

7、是二价铁氧化形成。BIF证明海水的PH值增大和氧气的产生。同样是在澳洲发现了 35亿年前最早的有机体。这些在三十五亿年前出现的 有机体很可能在十八到二十亿年前左右开始开始产生了氧气。在加拿大北部发现 大规模叠层石，现在在澳洲哈美林池水深二到三尺，由于浅滩对水流的限制，其 盐度是周边海洋的两倍，环境类似远古海洋，没有其他生物，只分布有大量叠层 岩，不断释放气体，叠层岩中放出的气体就是氧气。这样我们认为在20亿年前 叠层石就开始产生O2，这些叠层石的年代是在20亿年左右，这与BIF铁矿在 2620亿年前很接近。我们认为如果在水圈中存在自由氧，而在大气中一般认 为没有氧，那么BIF就能形成，而没有红

8、层或者其它陆上的氧化物的证据。自由 氧来源的藻类，它与二价铁的供应和处于平衡状态，这就解释了 BIF和陆上氧化 作用证据缺乏的原因，换句话说，在水中由于光合作用的氧只要不逃逸进入大气 圈去形成红层，必定与二价铁或硫化物组合。在美国大峡谷发现的红层最古老的 为11亿年左右，红层则是二价铁的氧化作用开始逐渐转移到陆地上的证据，海 洋里已经没有铁和氧气发生化学反应，海洋里氧气已经饱和了，并开始释放到大 气里去，使陆地上的二价铁等被氧化形成红层。在地球历史上这是第一次氧气和 其它气体在空气里开始了发展地球的过程，而它在这过程中扮演了很重要的角色 二氧化碳的不断减少地球在经过约20亿年的演化后，地球火山

9、活动相对减弱目火山间歇期变长， 大陆岩石风化对海洋的中和作用不断累积等。在这些因素的共同作用下，海水的 pH值于开始增大，大气CO2溶入量增大，致使海水中C02活度增大，碳酸盐水 圈。形成碳酸盐岩岩层。海洋中发生碳酸欲沉淀，出现碳酸盐岩岩层，在中国西 南部的石林中发现的碳酸盐最早为20亿年左右。碳酸盐的形成在整个地球的演 化历史中具有非常重大的意义，不但对海水及其沉积物起着控制作用，而目是大 气演化及其地球生命出现的重要转折点。碳酸盐沉淀的发生，使得水圈成了大气圈CO2的转移库，将大气中CO2源 源不断地通过海洋进入沉积圈封存起来。虽然该地史阶段火山活动去气作用能补 充一部分CO2进入大气圈，

10、但随着火山活动强度减小、周期拉长，大气圈中CO2 的分压逐渐减小。中国西南部广西自治区桂林石灰石，石灰石含有大量的二氧化 碳，因而它是一个庞大的天然二氧化碳储藏库。从石灰石的表面可以看到石化了 的珊瑚，还可以发现一些灭绝的海生具含钙质硬壳动物化石，如腔肠和腕足动物， 我们认为桂林石灰石的形成是海上有机体活动的结果。这些特别的石灰石沉积据 说是早在泥盆时代中期便产生了。它们把大量的二氧化碳从气体变为硬壳，经历 了两亿年的过程，形成了这个石灰石地区。中国有四分之一是由石灰石覆盖。这 些石灰石的微粒都是在海里产生的，在早期大气层里的气体，二氧化碳是由海里 的生物把它变成石灰石的，假如地球上的石灰石都

11、变回二氧化碳气体，那么大气 层的气体中二氧化碳的数量就会比现在多20万倍，这个容量几乎等于地球形成 时大气层里的二氧化碳的数量。随着PH值的升高，二氧化碳在海洋里的溶解度增大，后来通过纯化学反应 形成石灰石，同时在海洋里无数细小的有机体便把制造石灰石。对于这些小生物 的存在，珊瑚起了很大作用，现在澳洲的大堡礁是世界上最大的珊瑚礁，海洋里 的小生物把二氧化碳变成石灰石的过程不断在这里进行着。珊瑚礁是由一串串珊 瑚的骨骼组成的，其原料来自溶解于海水中的二氧化碳和钙形成的。珊瑚幼虫通 过吸收二氧化碳制造自己的骨骼，形成大量的石灰石，说明海水里相应的大量二 氧化碳被利用了，填补制造珊瑚时消耗的二氧化碳

12、，大气层里的二氧化碳便要加 上去溶解在海水里，那么珊瑚就负责立即把二氧化碳变成石灰石。珊瑚并不是生 产石灰石的主要动物，其主要起到支撑作用，而应是叠层岩，腕足动物，含石灰 质的藻类。这样就使得大气中大量的CO2储存在了碳酸盐中，CO2的减少使地球 的温度降低，更有利于生物生存。大气圈中CO2和O2的此消彼长大气圈中的CO2除维持相当量的进入海水和沉积物外，显生宙日益繁盛的 植物光合作用也消耗一定量的CO2,同时大气中O2的增加，陆地上由于氧化条 件的增强，各类岩石风化过程中的氧化作用不断加强，从寒武纪开始，生物开始 在海洋中蓬勃发展，到了泥盆纪高等植物在陆地大量出现并一直演化到现今。植 物的登

13、录，出现的大规模森林必然也会影响CO2和O2在大气圈中的比例，即为 CO2随着森林的出现不断减少，O2不断增加。现在全球分布最广的煤炭形成于 石炭纪，也是地史时期植物大爆炸的证据。位于美国加利福尼亚州三番市以北的 巨型红杉树可以说是太阳能的贮存室，它们代表了几千年的太阳能作用，现在的 热带雨林同样为我们研究O2和CO2的演化提供依据。在一定时间内大气中的 CO2逐渐被转移至沉积物和植物（包括植物残体或有机碳）中，大气中CO2降到很 低的水平，直至大气海洋、植物二者达到平衡。植物光合作用不断产生O2,使 得大气中O2不断累积。从地球形成到现在n2在大气中是相对稳定的组分，植物 的固氮作用消耗的量

14、极为有限。此外，大气圈平流层中的臭氧含量变化对水圈、生物圈、表生地质作用的影 响是不容忽视的。虽然臭氧的变化直接通过紫外线作用于生物，臭氧层的出现为 生物登陆提供了可能性和必要性。结论：在地球形成之初以二氧化碳，氮气和水蒸汽还有部分还原性气体，几 乎全部积聚在大气圈中，形成了最稠密的火山气圈，当时几乎没有氧气。在三十 五亿年左右出现藻类，大量的证据显示在20亿年左右，开始产生大量的氧气， 叠层石，BIF铁矿以及稍晚一点的红层都证明了氧气生成；石灰石等碳酸盐岩有 力的证明了大气中二氧化碳的转移；煤炭等证明大规模森林的存在地质现象则二 氧化碳和氧气之间相互转化的证据。氧气的增加和二氧化碳的减少，见证了大气 的演化历史，也很大程度反应了地球的演化。但从人类进入工业革命后，对煤，石油，天然气等有机燃料的大量使用，向 大气圈排放了大量了 CO2,造成了温室