地理環境化學演化
正文
前生物時期 地球作為一個行星，在46億年前起源於太陽系星雲，它經歷了吸積、碰撞等演化過程。地球形成的初期，溫度較低。由於隕石物質衝擊，放射性衰變致熱，以及原始地球的重力收縮，地球溫度逐漸升高，原始的大氣化學物質如H2、He等氣體逐漸逃逸殆盡，地球出現局部熔化現象。在重力作用下，地球開始發生物質分異，Fe、Ni等重金屬下沉，地球內部較輕的物質逐漸上升，組成地球的原始物質逐漸形成密度較大的地核、地幔和地殼。大規模的火山活動釋放出大量揮發性氣體，形成原始火山大氣圈,具有強還原性特徵。這時,大氣的主要成分是CO2、CO、CH4、NH3、H2、H2O、H2S、HCl、HF、H3BO3等。在地球形成過程中，由於溫度升高，產生脫氣過程，地球內部的結晶水汽化，逸出地表，隨著溫度下降,氣態水凝成水滴,降落到地面，形成原始海洋。原始海洋容納了大量上述氣體和Cl-、F-、HCO婣、BO婩等,海水呈酸性。地表基本上為基性的噴發岩所覆蓋。隨後，地幔物質進一步熔融分異，使地殼上部出現矽鋁層，地表逐漸出現偏酸性花崗岩化現象。酸性的降水和海水溶蝕這些原生岩石和火山堆積物，使其中鹼族、鹼土族以及Fe、Mn等元素被淋濾出岩石圈，進入水圈。地球形成後10～15億年期間,岩石圈、大氣圈、水圈已演化成型,地理環境是強還原性的，大氣圈中不存在臭氧層。宇宙線不斷地轟擊地球和地球內部放射性能的增強都使地表獲得能量,造成地表環境中廣泛存在的簡單化合物（如CH4、N2、NH3、H2、CO2、H2O、H2S等）和簡單的有機分子（如HCN、HCHO等）自然合成一系列的有機化合物,如胺基酸、核苷酸、單糖等。匯集在海洋中的多種多樣的有機物和無機物在一定條件下，合成蛋白質和核酸等生物大分子有機物，為原始的簡單生物誕生準備了必要條件。生物時期 生物出現後的地理環境的化學演化可分為還原性和氧化性兩個階段。大約距今35億年前，原始海洋中的蛋白質和核酸形成最簡單的、無氧呼吸的原始生物（細菌）。它們是嫌氧的異養生物，靠吸收水體中的有機物，進行無氧呼吸（發酵）而獲得能量。約在33～32億年前，逐步演化出有葉綠素並能進行光合作用的自養原核植物──藍藻。隨後，化學能合成的細菌、光合細菌和鐵細菌等生物相繼出現。藻菌生態系在水體中進行光合放氧作用。光合自養植物的出現改變著地理環境中岩石-水-大氣系統中地球化學平衡，逐漸導致地理環境特徵的根本變化。
由於綠色原核植物的光合作用放氧和大氣中一部分水分子受宇宙線作用，發生光化學反應，分解出遊離氧，緩慢地氧化著原始大氣圈成分。CH4、CO和NH3等成分氧化，使大氣圈中CO2和N2等成分濃度增加。隨著大氣圈中 CO2濃度增加,地球早期的氯化物水圈演化成氯化物-碳酸鹽水圈，在水體中相應出現化學沉積，如碳酸鹽。生物成因的沉積物也開始形成。水圈中游離氧的增加使水圈中低價鐵開始氧化形成難溶的Fe(OH)3,導致了大規模條帶狀鐵矽建造和碧玉鐵質岩礦石的形成。約在距今20～19億年，當游離氧從水圈進入大氣圈，並且累積到一定程度時,氧化性的地理環境誕生。從此,沉積岩中典型的條帶狀鐵矽建造逐漸消失，大陸地表富於高價鐵的紅層開始出現。游離氧成為地表環境中主要的化學營力，在不同的程度上影響著環境中幾乎所有的化學過程。
19億年前,在原始水圈中的藻菌生態系,參與環境中有機物的合成和分解，導致C、H、O、N、S、P、Ca、Mg、K、Fe、Mn 等元素的生物循環。由於生物物種數量比較少，約千位數，上述元素的生物循環在強度和容量上是有限的。到10億年前左右，生物物種數已達萬位數，生物也逐漸適應了有游離氧的新環境。由於光合自養生物數量的增殖,加速氧逸入大氣,大氣中游離氧的比重進一步增大，導致喜氧生物的產生。當大氣中氧的濃度超過CO2濃度時，大氣圈的主要成分由N2-CO2演化成N2-O2-CO2，接近於現在的大氣成分比例。環境中硫化物,如H2S、FeS等氧化形成硫酸鹽。在一定的水熱條件下，地表一些地區富集硫酸鹽,出現石膏沉積物。水圈由氯化物-碳酸鹽演化到氯化物-碳酸鹽-硫酸鹽，其化學成分逐漸接近現代的水圈成分。
當大氣圈中的游離氧達到一定濃度後，在大氣圈的上部（平流層）產生臭氧層。臭氧層強烈吸收來自宇宙的能殺傷生物的紫外線，為生物從水域擴展到陸地上創造了條件。在志留紀和泥盆紀間，地殼運動使大陸普遍上升，海水縮退，海面縮小，淺海區成為低濕平原或窪地。約在4億年前（泥盆紀），生物由海登入,實現了由水生向陸生的飛躍。從此,生物圈從水域擴大到陸地,形成了水陸的動物、植物、細菌三極生態系，地理環境中礦物質的生物循環範圍擴大。泥盆紀末期，地表出現森林景觀。到 3.5億年前石炭紀開始時，森林已廣泛發展，化學元素在生物-大氣、生物-土壤之間的遷移和循環極為強烈。森林景觀中大部分活物質死亡後，形成了各種生源酸、腐殖質和CO2，使土壤溶液呈酸性,導致P、S、Ca、Mg、K、Na、Cu、Zn等元素淋出土壤殼,進入河湖等水體。從泥盆紀的植物繁榮時代起，生物界逐漸演變到現在動植物區系，種類和數量大大增長。現存的生物種類大約150萬種,植物30多萬種，其中綠色被子植物有25萬種以上。生物是地表環境中強大的地球化學營力。如占空氣正常含量約0.03％的CO2,通過生物呼吸作用和植物光合作用固定,大約300年循環一次。占空氣正常含量約20.1％的O2，通過植物光合作用，2000年可循環一次。整個水圈約 13.86億立方公里的水，通過生物圈的吸收、排泄以及蒸發和蒸騰作用,約20萬年循環一次。此外,生物對S、N、P、Fe等元素的循環也有很大的影響。
人類時期 人類在各個歷史時期的狩獵、燒荒、興修水利、灌溉和開墾農田、採伐森林等生產活動都對地理環境的化學演化產生影響。早期的城市就有局部的生活污染，排出含N、P的污水，使一些地區水體受到污染。特別是18～19世紀的產業革命後，人類開發和利用自然資源的規模愈來愈大，不僅把地殼中的礦石大量移入地表環境，而且創造出許多無機、有機化合物。這些化合物改變著長期以來人類適應的地理環境質量。20世紀40年代以來，世界化肥產量大約每10年增加一倍，改變和加強了地表環境中氮素和礦物營養元素的化學循環過程。大量的N、P進入河流、湖泊和地下水。有些地區飲用水源中HNO3含量上升到有毒水平。另一問題是水體富營養化，破壞水資源和生物資源。
人類活動大大加速了地表環境中各種元素的遷移。19世紀時，人類已能利用62種元素,到20世紀70年代,人類除利用地殼中的94種元素外，還開始取得和部分利用了地殼中不存在的人造元素，如Am、Cf等。人類把元素濃集到自己的生活環境中，創造了在自然界不存在的元素狀態和組合，如自然界不曾有的呈游離狀態的Fe、Al、Cu、Zn、Ni、Co等元素。人類每年從地殼中取出礦石、冶煉愈來愈多的金屬。大量的廢氣、廢渣和廢水的排放，使大氣、土壤和水體遭到污染。重金屬元素污染對環境的影響很大，能夠造成環境質量惡化，危害生物的生存和人類的健康。套用汞和汞化合物的氯鹼廠和一些有機化工廠的汞污染特別嚴重。煤、石油和天然氣燃燒輸入大氣的汞，每年約3000噸。目前地球未遭汞污染的地區已經很少。此外,礦物燃料產量逐年增加,1975年全世界煤生產量為276100萬噸，石油產量為270800萬噸。這些礦物燃料的燃燒影響大氣化學性質，繼而影響整個地理環境的化學特徵。影響最大的是CO2,其次是CO、SO2、氮氧化物和粉塵。CO2對近地面環境產生溫室效應；粉塵可減弱太陽輻射,對地表產生陽傘效應;SO2可形成酸雨；氮氧化物能造成光化學煙霧和破壞臭氧層。已知，大氣中CO2的濃度已由19世紀60年代的290ppm上升到20世紀60年代末的320ppm，而且增加部分的五分之一出現在1959～1969年的10年中。根據在夏威夷的冒納羅亞長期觀測得知，1958～1968年CO2濃度每年平均增加0.7ppm,從1969年以來每年平均增加量超過1ppm，證明大氣中CO2濃度有迅速增加的趨勢。
