［大历史系列］地球到底是怎么形成的？
很怀念小时候，那时报纸、杂志、电视和广播是我们的灯塔，图书馆是我们的星辰大海。那时我们的记忆力好于体力，没有云存储，只有脑回路。
这是申鹤公众号的第104天的第104篇原创文章
在大历史系列最初，我们就设定了大历史的框架结构，如图所示：
我们把从宇宙大爆炸至今的时间分为了六大时期：
一、宇宙大爆炸时期
二、银河系形成时期
三、太阳系形成时期
四、地球的诞生时期（隐生宙时期和显生宙时期）
五、人类的出现
六、人类文明时期（七＊八模式）
在前面的大历史系列里，我们已经走过了宇宙大爆炸时期、银河系形成时期、太阳系形成时期，今天我们终于进入地球板块了。
太不容易了。
所以，今天我们就共同走进地球的诞生时期。在这个时期，传统会分为两大时期，即隐生宙时期和显生宙时期。
顾名思义，没有显著的生物存在，就是隐生宙，人们就根据岩层发育，地壳运动和同位素年龄，把它分为冥古代、太古代和元古代。
显生宙表示在这个时期地球上有显著的生物出现。根据生物演化的不可逆和阶段性，显生宙又可分为三个代，即古生代、中生代和新生代。古生代又可分为早古生代和晚古生代。在“代”下面还有“纪”，我们最熟悉的就是古生代的寒武纪，中生代的侏罗纪、白垩纪，而在新生代的第四纪，人类就开始出现了。
也就是说，寒武纪以前称为隐生宙，寒武纪迄今称为显生宙。
今天我们就先走进隐生宙时期。隐生宙的第一个时期是冥古代，是地球形成之初，这就是我们今天主要讨论的时期。
也就是地球是怎么形成的？
在之前的文章《我们一起聊啊聊太阳》中，我们了解了太阳系的形成。太阳系中的行星，也包括我们的地球，都是在距今大约45.6亿年前与太阳同时诞生的。
可以说，我们的地球与太阳系中的其他行星、卫星一样，都是太阳诞生之际的副产品。太阳的形成经历了大约10万年，巨大的引力把太阳星云内的绝大部分物质拉到了中心。但是由于离心力的作用，一些尘埃和气体在一定的距离上环绕太阳运行，而这些边角余料渣渣碎屑才渐渐形成了这些行星、矮行星、卫星、小行星，以及剩下无数的碎屑尘埃，大概只占太阳系的0.14%。
那么这些碎渣是怎么形成的行星呢？地球作为太阳系中一个重要行星到底是怎么形成的呢？
在了解地球的成因之前，我们得先看一下地球的构造是怎样的。
地球的构造可以分为内部结构和外部结构这两部分，我们先来看地球的内部结构。
地球的内部结构分为三层，由内到外分别是地核、地幔、地壳。如果把地球内部结构做个形象的比喻，它就像一个鸡蛋，地核就相当于蛋黄，地幔就相当于蛋白，地壳就相当于蛋壳。
1、地壳
地壳的厚度是不均匀的，地壳平均厚度约17千米，大陆部分平均厚度约33千米，高山、高原地区地壳厚度可达60~70千米；海洋地壳较薄，平均厚度约6千米。地壳厚度的变化规律是：地球大范围固体表面的海拔越高，地壳越厚；海拔越低，地壳越薄。
地壳上层为沉积岩和花岗岩，主要由硅—铝氧化物构成，因而也叫硅铝层；
地壳下层为玄武岩或辉长岩类组成，主要由硅—镁氧化物构成，称为硅镁层；
海洋地壳几乎或完全没有花岗岩，一般在玄武岩的上面覆盖着一层厚约0.4～0.8千米的沉积岩。
2、地幔
地幔是介于地表和地核之间的中间层，厚度将近2900千米。
主要由致密的造岩物质构成，这是地球内部体积最大、质量最大的一层。
它的物质组成具有过渡性。靠近地壳部分，主要是硅酸盐类的物质；靠近地核部分，则同地核的组成物质比较接近，主要是铁、镍金属氧化物。
地幔又可分成上地幔和下地幔两层。下地幔顶界面距地表1000公里，上地幔顶界面距地表33公里，
一般认为上地幔顶部存在一个软流层，是放射性物质集中的地方，由于放射性物质分裂的结果，整个地幔的温度都很高，大致在1000℃到2000℃或3000℃之间，这样高的温度足可以使岩石熔化，可能是岩浆的发源地。但这里的压力很大，约50万～150万个大气压。在这样大的压力下，物质的熔点要升高。在这种环境下，地幔物质具有一些可塑性，但没有熔成液体，可能局部处于熔融状态，这已从火山喷发出来的来自地幔的岩浆得到证实。下地幔温度、压力和密度均增大，物质呈可塑性固态。
地球各层的压力和密度随深度增加而增大，物质的放射性及地热增温率，均随深度增加而降低，近地心的温度几乎不变。
3、地核
地核又称铁镍核心，其物质组成以铁、镍为主，又分为内核和外核。内核的顶界面距地表约5100公里，约占地核直径的1/3，可能是固态的，其密度为10.5—15.5克/立方厘米。外核的顶界面距地表2900公里，可能是液态的，其密度为9—11克/立方厘米。推测外地核可能由液态铁组成，内核被认为是由刚性很高的，在极高压下结晶的固体铁镍合金组成。地核中心的压力可达到350万个大气压，温度是6000摄氏度 。在这样高温、高压的条件下，地球中心的物质的特点是在高温、高压长期作用下，犹如树脂和蜡一样具有可塑性，但对于短时间的作用力来说，却比钢铁还要坚硬。
地球外圈分为四圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈。
1、大气圈
大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。
大气圈没有确切的上界，在2000 ~ 16000 公里高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下，土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也可认为是大气圈的一个组成部分。
地球大气的主要成份为氮、氧。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100公里的高度范围内，其中75%的大气又集中在地面至10公里高度的对流层范围内。
根据大气分布特征，在对流层之上还可分为平流层、中间层、高层大气等。
2、水圈
水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等，它是一个连续但不很规则的圈层。
从离地球数万公里的高空看地球，可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋，它使地球成为一颗"蓝色的行星"。
其中海洋水质量约为陆地(包括河流、湖泊和表层岩石孔隙和土壤中)水的35倍。如果整个地球没有固体部分的起伏，那么全球将被深达2600米的水层所均匀覆盖。大气圈和水圈相结合，组成地表的流体系统。
3、生物圈
由于存在地球大气圈、地球水圈和地表的矿物，在地球上这个合适的温度条件下，形成了适合于生物生存的自然环境。人们通常所说的生物，是指有生命的物体，包括植物、动物和微生物。据估计，现有生存的植物约有40万种，动物约有110多万种，微生物至少有10多万种。据统计，在地质历史上曾生存过的生物约有5-10亿种之多，然而，在地球漫长的演化过程中，绝大部分都已经灭绝了。
现存的生物生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部，构成了地球上一个独特的圈层，称为生物圈。
生物圈与其他圈层相比，其不同点：首先，其他圈层是由无机物组成的，而生物则构成了生物圈的主体，是一个非常活跃的圈层；其次，其他圈层都具有相对独立的空间结构，而生物圈则渗透于其他圈层之中，形成一个特殊的结构。生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。
4、岩石圈
对于地球岩石圈，主要由地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿一直延伸到软流圈。岩石圈厚度不均一，平均厚度约为100公里。由于岩石圈及其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系，因此，岩石圈是现代地球科学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。
了解了地球的构造，接下来，我们就看看，从地核，到地幔、到地壳，再到岩石圈、生物圈、水圈、大气圈都是怎样形成的。
我们先再来回顾一下太阳系中行星的形成。
还记得太阳系中行星的形成过程吗？
随着太阳的燃烧（内部的核聚变反应），形成岩石行星关键的重元素就是在此时产生的，随着太阳的形成时伴随的爆发，重元素也被喷射出来，且越靠近太阳，重元素丰度越高。所以在太阳系中，重元素含量随着与太阳距离的增大而减小。所以靠近太阳的地方形成了富含重元素的岩石行星，也就是四大内行星（水金地火），而距太阳较远的地方形成了与太阳构成元素基本相同（因为由同一星云形成）的气态行星（木土天海）。
时至今日，太阳系内的行星已被分为两大类：内圈是体积较小、由岩石构成的行星，而外圈是体积巨大的由两种最活跃的元素氢和氧构成的气态行星。远处那些由固态水组成的行星，必定岩石行星要大得多，所以就解释了为什么木星的质量是地球的300多倍，土星的质量几乎是地球的100倍。（冥王星由于远远小于我们的月球，已经不再算作真正的行星，而被视为现存最大的小行星。）
地球也和四大内行星的形成过程一样。在太阳系形成4000万年后，大部分偏重的金属元素，比如铁和镍，像炽热的淤泥一般陷入地心，这样就形成了一个以铁元素为主的地核。你可以把地核想像成一个6000度的铁球。
较重的物质渐渐沉入地心，而轻一些的硅化物则浮出表面，这个过程就好似在今天炼钢炉内发生的情况一样。密度较高的硅化物形成了地核与地壳之间大约厚达3000千米的地幔。
在彗星的撞击下，地球表面伤痕累累，温度升高，使得最轻的硅化物浮到了地表，在这里它们要比地球内部的物质冷却得更快。这些被称为花岗岩的较轻物质，形成了大约35千米厚的大陆地壳。相对整个地球而言，这层地壳就像蛋壳一样薄。海底地壳（大部分由火山岩构成）更薄，大约只有7千米厚。
从地表到地球核心的距离大约为6400千米。这样，即便是大陆地壳也仅仅是其到核心距离的1/200。大部分早期的大陆地壳保存至今。最古老的大陆地壳在加拿大、澳大利亚、南非和格陵兰的部分地区还可以找到，距今大约有38亿年的历史。
最轻的物质，包括氢气与氦气，从地球内部冒向表面。
因此我们可以认为早期地球的表面是一片火山岩的大地。我们通过分析火山口生成的气体混合物，可以精确地判断是哪些气体冒到了地表。它们包括氢、氦、甲烷、水蒸气、氮、氨气和硫化氢。其他物质，包括大量的水蒸气，是彗星撞击所带来的。大部分的氢和氦逃逸了，但当地球完全形成时，它还是大到足以用引力场保留住剩余的气体，从而形成地球第一个稳定的大气层。
大部分甲烷和硫化氢转化成了二氧化碳（CO2），二氧化碳很快就在当时的大气层中占据了优势。在一个充满二氧化碳的大气层里，天空看上去是红色的，而不是我们今天所看到的蓝色。
然而，随着地球的冷却，集聚在大气中的水蒸气转化为一场持续几百万年的滂沱大雨。大雨造就了最早的海洋。最早的海洋在35亿年前形成，因为我们知道那时已经有活的有机体存在；它们的出现说明地球表面温度已经降到了100℃以下。海洋溶解了大气中的二氧化碳，人们所看到的天空渐渐变成了蓝色。
地球温度对于生命为何如此仁慈？原因至今不明。也许在所有恒星系中都存在这样一个有限地带——与恒星保持一定距离，而不至于使水沸腾，却又比较接近恒星而获得热量，使生命得以出现。然而我们知道大气并不是按照简单、可预测的规则进化的。早期金星的大气层可能和地球相同，但是厚厚的云层和更多的太阳辐射形成了温室效应，最终使金星表面温度达到了水的沸点。金星因此成为不毛之地。火星由于体积较小、引力较弱，所以尽管过去可能拥有稠密的大气层，如今却也几乎消失殆尽。也许就是因为各种环境条件的罕见结合才使得地球适合生命生长，这说明尽管宇宙有数十亿颗行星，也只有极少的一部分有可能存在生命。[3]就像我们将要在第5章中看到的那样，生命一旦形成，它们便把地球当成自己的家，改造大气和地表，使之更适宜于生命的存在。
因此，在太阳系形成10亿年后，地球有了一个温度极高的铁的地核、高温半液态的地幔，还有薄而坚硬的地壳和广阔的海洋，以及主要由氮气、二氧化碳、水蒸气所构成的大气层，还形成了自己的卫星月球。这个时期的地球，淹没在持续的酸雨中，周期性地被彗星或小行星撞击所形成的火山熔岩所覆盖。但是地球拥有促使最早期的生命形式进化和繁荣的一切因素。最重要的是，地球拥有液态水，因为它的位置距离太阳不远不近，既避免了水沸腾而变为蒸汽，又可以确保水不会凝结成冰。
大历史系列，我们下一篇继续～
参考文献：
辛西娅·斯托克斯·布朗《大历史》
大卫·克里斯蒂安《时间地图》、科普中国
作者：申鹤
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