藍星編年史-3

到這裡，我們已經走完了地球的幼年。38億年以前的地球歷史被稱為冥古宙（注1），這個詞的英文詞彙（Hadean）來源於Hades，這是古希臘神話中主管地獄的冥王的名字。Hadean就用來表示在幼年地球煉獄般的環境：地球形成之初，溫度很高，外太空物質撞擊頻繁，火山頻發，熔岩溢流遍地。

38億年以後至25億年，就是太古宙（Archean）了。這十幾億年的時間裡，地殼繼續生長，並出現了生命，地球環境也發生了巨大的變化。

大陸的發展

上文書說到，到38億年的時候，地殼已經有了足夠的量，來提供

沉積岩

形成的場所，並且有相當一部分儲存了下來。

但是，這時候大陸地殼到底有多少，由於年代久遠，已經不能精確的知道了。

其實，地殼增生的速率並非均勻的，而是幕式的。也就是說地殼的增生一段時間活躍，一段時間沉寂。但是，怎麼知道地殼是這樣生長的呢？

鋯石 via arnegy。com

這就不得不提一種礦物：鋯石。這是一種主要從中酸性岩漿中結晶出來的礦物。這種礦物的性質非常的穩定，能承受幾百度的高溫而不發生變化。鋯石的另一個特性就是很適合定年，從而知道它形成的時代。從上一章中知道，地殼的增生主要是透過從地幔中抽取岩漿，但這並不是連續不斷的均勻抽取，而是間歇式的，有時候快，有時候慢。每一次岩漿活動都會產生一些鋯石，

岩漿活動

強的時候產生的岩漿多，鋯石也多，弱的時候產生的岩漿少，鋯石也少。

然後，

地質學家

就在古老的岩石裡面挑出鋯石，測出其年齡，發現這些鋯石的年齡主要集中在某幾個時間段，分別是38億年、33億年和27億年、 25億年。到了25億年，地球上的各主要大陸的都形成了。

但是，那個時候的大陸到底相當於現在的多少呢？不同的人有不同的估計。一些人認為，那個時候大陸幾乎和現代一致，25億年會後的漫長歲月中沒有什麼大的變化。另外兩種觀點是：比現在多或是比現在少。

以現在地殼的量為標準（設為1），地球歷史上地殼量的變化［1］。橫軸是時間（單位是十億年），豎軸是地球歷史上地殼的量和現今地殼的量的比值。

現在比較多的科學家認為，早期地殼比現在要少，大約在27億年左右達到增生峰值，被稱為地殼的巨量生長期。至25億年的時候，地殼的量可能達到了現在的80%左右（甚至更多）。要注意的是，這裡說的陸塊並不是現在的板塊，而是一些比板塊更小一級的單元。比如，現在的中國就有好幾個這樣的陸塊組成。這個在以後會再有介紹。

世界上主要大陸的形成年代。褐色部分形成年代早於25億年，黃色部分形成於5。4～25億年，其餘為形成與5。4億年至今的大陸。［2］

大陸的發展與大氣的作用

地球形成以後至元古代結束（25億年），大氣經歷了巨大的變化。

地球從開始形成可能就有了大氣，成分主要是宇宙中最豐富的元素組成的氣體——氫氣（H2），而且還可能含有少量的氫化物，如H2O、CH4、NH3等，被稱為原生大氣。這種成分的大氣在太陽系的大行星中是比較普遍的，如木星、土星、

天王星

和海王星。

但隨著大撞擊事件的到來，原生大氣中的氫氣基本完全逃逸了。之後，地球又產生了一種成分完全不同的大氣，稱為

二次大氣

。這些氣體成分一般認為來自於地幔物質。早期地幔的含有比較多的氣體，大撞擊造成了地幔的大範圍熔融，並釋放出氣體。2007年，Schaefer & Fegley對隕石球粒隕石（現代理論認為球粒隕石代表了地球最原始的成分）加熱至熔融，並研究其放出的氣體，表明主要成分是甲烷（CH4）、氫氣（H2）、水（H2O）、

氮氣

（N2）、和氨氣（NH3）［3］。但是，生命的出現對大氣的成分也有著不容忽視的影響（可能是主要方式）。如產烷生物（methanogen），是太古代廣古菌門（Euryarchaeota）的一支，它們的新陳代謝方式是把糖類轉換成甲烷和二氧化碳，即

2CH2O3=CO2+CH4［5］。

早期地球二氧化碳的主要來源是火山噴發，因為地球內部的岩石中含有比較多的碳元素，透過火山活動進入大氣。

為什麼要讓早期的大氣含有這麼多的二氧化碳和甲烷呢？一個原因是研究表明，那個時候地球上大氣的成分確實有可能是這樣的，二是地球需要這些成分來給自己“保溫”。

在地球地球歷史的早期，太的亮度要比現在低30%左右。這個理論被稱為“弱陽弔詭悖論”（Faint Young Sun Paradox），這是1972年由著名的天文學家Carl Sagan（

卡爾·薩根

）和 George Mullen首先提出來的［4］。他們認為在地球歷史的上半頁，太陽光的強度比現在要低30%~20%，但那時地球表面的溫度可能高於50°。如果沒有溫室氣體，地球不僅不會保持這麼高的溫度，還可能會變成一個冰封的世界。所以，地球就需要溫室氣體來保持自己的“體溫”。現在一般認為，早期地球的溫室氣體主要是水（H2O）、二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）。那個時候的大氣氧氣非常少，遠低於現代大氣氧含量的（可達10-5），為還原環境。

昏弱的幼年太陽 via sciencenews。org

對於太古宙，溫室氣體的主要成分還有爭議，在於二氧化碳和甲烷的比例到底是多少（注2）。

在太古宙的早期（約32億年之前），地球大氣中二氧化碳含量是比較高的，可能遠大於甲烷。而在元古宙中期（32~28億年），由於地球上已經形成了幾個比較大陸塊，造成了大氣中的二氧化碳轉換成碳酸鹽而被固定（大陸地塊的淺海區是

碳酸鹽

沉積的主要場所），造成二氧化碳含量大大降低。而在太古宙晚期（28~15億年），二氧化碳的含量可能再次升高。

大陸的形成並穩定對二氧化碳到底有什麼影響呢？在太古宙的早期（38~34億年），大陸開始比較快的生長。而到了32億年的時候，地球上已經形成了一些穩定的大陸，如

南非中北部

和澳大利亞西部都有一些非常古老的陸塊。大陸形成後，風化作用就開始了。大氣中的二氧化碳溶於雨水中，形成碳酸（H2CO3），腐蝕地表岩石，變成

碳酸氫根離子

（HCO3-），進入海洋。這樣，二氧化碳就被固定在了海水中，進而變成固態的碳酸鹽沉積在大陸上（主要為MgCO3和CaCO3）。這個過程就造成了大氣中的二氧化碳濃度在32億年的時候大大的降低，地表溫度也隨之降低，可能導致了地球上的第一個大冰期。這種狀態可能一直持續到27億年。而之後地球再次進入一個大陸增生的高峰期，岩漿活動非常的頻繁，二氧化碳再次大量進入大氣，導致溫度再次升高。

根據對形成於32億年前的蒸發巖的研究，地球上當時的溫度可能高於50°（甚至達到70°），這麼高的溫度非常不利於造氧微生物的活動。而在隨後的降溫期間，造氧微生物活動性增強，可能導致這一段時間大氣中氧氣的濃度有稍許增加，大於現在水平的0。001%，但要小於0。1%［7］。這個結論得到了硫、碳同位素研究結果的支援（注3）。

太古宙二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）演化圖。在30億年之前，CO2/CH4遠遠大於1，之後可能大致相當，而在27億年以後，CO2/CH4再次遠遠大於1。［6］

注1：

國際地層委員會

在2013年1月給出的國際年代地層表推薦的冥古宙的年代下界是40億年，但國內習慣以38億年作為冥古宙和太古宙的分界。

注2：關於太古宙的溫室氣體，一種觀點認為主要是甲烷，一種認為主要是二氧化碳和甲烷。這裡介紹的是第二種模式。

注3：一個元素都有若干種

同位素

，比如氧，就有16O、17O和18O四種同位素。同位素間的化學性質相同但是質量有一些差異。所以，在一些生物、物理和化學過程中，會有分異，即不同同位素在某一種物質中的比例會發生變化。比如水的蒸發，H216O 較H218O更容易變成水蒸氣，造成雨水中H216O的含量更高。硫有四種同位素，32S 、33S 、34S和36S，其分異過程會受到

宇宙射線

的影響發生變化。大氣缺少遊離氧的情況下，宇宙射線能長驅直入，影響硫的分異，即遊離氧（臭氧）和無遊離氧的情況下分異狀態是不一樣的。［8］那麼，地質學家就可以透過研究岩石中硫同位素的分異形式來推測當時大氣的氧氣含量。

References

［1］

http：//

serc。carleton。edu/NAGTW

orkshops/earlyearth/questions/crust。html

［2］ Kusky et。al。；2007；From Zhai et。al。 edited：

Mesozoic Sub-Continental Lithospheric ThinningUnder Eastern Asia

；Geological Society Special Publications，London（280）331–343。

［3］ Schaefer L。 & Fegley B。；2007；Outgassing of ordinary chondritic material and some of its implications for the chemistry of asteroids，planets， and satellites；

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（186）462—483

［4］

http：//

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［5］ Kasting J。F。 & Siefert J。L。；2003；Life and the Evolution of Earth’s Atmosphere；

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［6］ Lowe D。 R。 & Tice M。M。；2004； Geologic evidence for Archean

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（32）493-496

［7］ Ono S。 et。al。；2006； Early evolution of atmospheric oxygen from multiple-sulfur and carbon isotope records of the 2。9 Ga Mozaan Group of the Pongola Supergroup， Southern Africa；

South African Journal of Geology

（109）97-108

［10］ Farquhar J et。al。；2000 ；Atmospheric influence of Earth‘s earliest

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；

Science

（289）756——758