[科普中国]-地理环境化学演化

指地理环境中的化学成分和化学性状的演变，是地理环境演化的重要内容。在约46亿年的地球史中，地理环境的化学成分和性状有其发生、发展的演变规律，大致可分为前生物时期、生物时期、人类时期3个阶段。在约距今20～19亿年时，地理环境的化学性质由还原性过渡到氧化性。生命的产生和生物的发展对地理环境的化学演化有重大的影响。

简介指地理环境中的化学成分和化学性状的演变，是地理环境演化的重要内容。在约46亿年的地球史中，地理环境的化学成分和性状有其发生、发展的演变规律，大致可分为前生物时期、生物时期、人类时期3个阶段。在约距今20～19亿年时，地理环境的化学性质由还原性过渡到氧化性。生命的产生和生物的发展对地理环境的化学演化有重大的影响。1

前生物时期地球作为一个行星，在46亿年前起源于太阳系星云，它经历了吸积、碰撞等演化过程。地球形成的初期，温度较低。由于陨石物质冲击，放射性衰变致热，以及原始地球的重力收缩，地球温度逐渐升高，原始的大气化学物质如H2、He等气体逐渐逃逸殆尽，地球出现局部熔化现象。在重力作用下，地球开始发生物质分异，Fe、Ni等重金属下沉，地球内部较轻的物质逐渐上升，组成地球的原始物质逐渐形成密度较大的地核、地幔和地壳。大规模的火山活动释放出大量挥发性气体，形成原始火山大气圈,具有强还原性特征。这时,大气的主要成分是CO2、CO、CH4、NH3、H2、H2O、H2S、HCl、HF、H3BO3等。在地球形成过程中，由于温度升高，产生脱气过程，地球内部的结晶水汽化，逸出地表，随着温度下降,气态水凝成水滴,降落到地面，形成原始海洋。原始海洋容纳了大量上述气体和Cl-、F-、HCO婣、BO婩等,海水呈酸性。地表基本上为基性的喷发岩所覆盖。随后，地幔物质进一步熔融分异，使地壳上部出现硅铝层，地表逐渐出现偏酸性花岗岩化现象。酸性的降水和海水溶蚀这些原生岩石和火山堆积物，使其中碱族、碱土族以及Fe、Mn等元素被淋滤出岩石圈，进入水圈。地球形成后10～15亿年期间,岩石圈、大气圈、水圈已演化成型,地理环境是强还原性的，大气圈中不存在臭氧层。宇宙线不断地轰击地球和地球内部放射性能的增强都使地表获得能量,造成地表环境中广泛存在的简单化合物（如CH4、N2、NH3、H2、CO2、H2O、H2S等）和简单的有机分子（如HCN、HCHO等）自然合成一系列的有机化合物,如氨基酸、核苷酸、单糖等。汇集在海洋中的多种多样的有机物和无机物在一定条件下，合成蛋白质和核酸等生物大分子有机物，为原始的简单生物诞生准备了必要条件。1

生物时期生物出现后的地理环境的化学演化可分为还原性和氧化性两个阶段。大约距今35亿年前，原始海洋中的蛋白质和核酸形成最简单的、无氧呼吸的原始生物（细菌）。它们是嫌氧的异养生物，靠吸收水体中的有机物，进行无氧呼吸（发酵）而获得能量。约在33～32亿年前，逐步演化出有叶绿素并能进行光合作用的自养原核植物──蓝藻。随后，化学能合成的细菌、光合细菌和铁细菌等生物相继出现。藻菌生态系在水体中进行光合放氧作用。光合自养植物的出现改变着地理环境中岩石-水-大气系统中地球化学平衡，逐渐导致地理环境特征的根本变化。
由于绿色原核植物的光合作用放氧和大气中一部分水分子受宇宙线作用，发生光化学反应，分解出游离氧，缓慢地氧化着原始大气圈成分。CH4、CO和NH3等成分氧化，使大气圈中CO2和N2等成分浓度增加。随着大气圈中 CO2浓度增加,地球早期的氯化物水圈演化成氯化物-碳酸盐水圈，在水体中相应出现化学沉积，如碳酸盐。生物成因的沉积物也开始形成。水圈中游离氧的增加使水圈中低价铁开始氧化形成难溶的Fe(OH)3,导致了大规模条带状铁硅建造和碧玉铁质岩矿石的形成。约在距今20～19亿年，当游离氧从水圈进入大气圈，并且累积到一定程度时,氧化性的地理环境诞生。从此,沉积岩中典型的条带状铁硅建造逐渐消失，大陆地表富于高价铁的红层开始出现。游离氧成为地表环境中主要的化学营力，在不同的程度上影响着环境中几乎所有的化学过程。
19亿年前,在原始水圈中的藻菌生态系,参与环境中有机物的合成和分解，导致C、H、O、N、S、P、Ca、Mg、K、Fe、Mn 等元素的生物循环。由于生物物种数量比较少，约千位数，上述元素的生物循环在强度和容量上是有限的。到10亿年前左右，生物物种数已达万位数，生物也逐渐适应了有游离氧的新环境。由于光合自养生物数量的增殖,加速氧逸入大气,大气中游离氧的比重进一步增大，导致喜氧生物的产生。当大气中氧的浓度超过CO2浓度时，大气圈的主要成分由N2-CO2演化成N2-O2-CO2，接近于现在的大气成分比例。环境中硫化物,如H2S、FeS等氧化形成硫酸盐。在一定的水热条件下，地表一些地区富集硫酸盐,出现石膏沉积物。水圈由氯化物-碳酸盐演化到氯化物-碳酸盐-硫酸盐，其化学成分逐渐接近现代的水圈成分。
当大气圈中的游离氧达到一定浓度后，在大气圈的上部（平流层）产生臭氧层。臭氧层强烈吸收来自宇宙的能杀伤生物的紫外线，为生物从水域扩展到陆地上创造了条件。在志留纪和泥盆纪间，地壳运动使大陆普遍上升，海水缩退，海面缩小，浅海区成为低湿平原或洼地。约在4亿年前（泥盆纪），生物由海登陆,实现了由水生向陆生的飞跃。从此,生物圈从水域扩大到陆地,形成了水陆的动物、植物、细菌三极生态系，地理环境中矿物质的生物循环范围扩大。泥盆纪末期，地表出现森林景观。到 3.5亿年前石炭纪开始时，森林已广泛发展，化学元素在生物-大气、生物-土壤之间的迁移和循环极为强烈。森林景观中大部分活物质死亡后，形成了各种生源酸、腐殖质和CO2，使土壤溶液呈酸性,导致P、S、Ca、Mg、K、Na、Cu、Zn等元素淋出土壤壳,进入河湖等水体。从泥盆纪的植物繁荣时代起，生物界逐渐演变到现在动植物区系，种类和数量大大增长。现存的生物种类大约150万种,植物30多万种，其中绿色被子植物有25万种以上。生物是地表环境中强大的地球化学营力。如占空气正常含量约0.03%的CO2,通过生物呼吸作用和植物光合作用固定,大约300年循环一次。占空气正常含量约20.1%的O2，通过植物光合作用，2000年可循环一次。整个水圈约 13.86亿立方公里的水，通过生物圈的吸收、排泄以及蒸发和蒸腾作用,约20万年循环一次。此外,生物对S、N、P、Fe等元素的循环也有很大的影响。1

人类时期人类在各个历史时期的狩猎、烧荒、兴修水利、灌溉和开垦农田、采伐森林等生产活动都对地理环境的化学演化产生影响。早期的城市就有局部的生活污染，排出含N、P的污水，使一些地区水体受到污染。特别是18～19世纪的产业革命后，人类开发和利用自然资源的规模愈来愈大，不仅把地壳中的矿石大量移入地表环境，而且创造出许多无机、有机化合物。这些化合物改变着长期以来人类适应的地理环境质量。20世纪40年代以来，世界化肥产量大约每10年增加一倍，改变和加强了地表环境中氮素和矿物营养元素的化学循环过程。大量的N、P进入河流、湖泊和地下水。有些地区饮用水源中HNO3含量上升到有毒水平。另一问题是水体富营养化，破坏水资源和生物资源。
人类活动大大加速了地表环境中各种元素的迁移。19世纪时，人类已能利用62种元素,到20世纪70年代,人类除利用地壳中的94种元素外，还开始取得和部分利用了地壳中不存在的人造元素，如Am、Cf等。人类把元素浓集到自己的生活环境中，创造了在自然界不存在的元素状态和组合，如自然界不曾有的呈游离状态的Fe、Al、Cu、Zn、Ni、Co等元素。人类每年从地壳中取出矿石、冶炼愈来愈多的金属。大量的废气、废渣和废水的排放，使大气、土壤和水体遭到污染。重金属元素污染对环境的影响很大，能够造成环境质量恶化，危害生物的生存和人类的健康。应用汞和汞化合物的氯碱厂和一些有机化工厂的汞污染特别严重。煤、石油和天然气燃烧输入大气的汞，每年约3000吨。目前地球未遭汞污染的地区已经很少。此外,矿物燃料产量逐年增加,1975年全世界煤生产量为276100万吨，石油产量为270800万吨。这些矿物燃料的燃烧影响大气化学性质，继而影响整个地理环境的化学特征。影响最大的是CO2,其次是CO、SO2、氮氧化物和粉尘。CO2对近地面环境产生温室效应；粉尘可减弱太阳辐射,对地表产生阳伞效应;SO2可形成酸雨；氮氧化物能造成光化学烟雾和破坏臭氧层。已知，大气中CO2的浓度已由19世纪60年代的290ppm上升到20世纪60年代末的320ppm，而且增加部分的五分之一出现在1959～1969年的10年中。根据在夏威夷的冒纳罗亚长期观测得知，1958～1968年CO2浓度每年平均增加0.7ppm,从1969年以来每年平均增加量超过1ppm，证明大气中CO2浓度有迅速增加的趋势。1

本词条内容贡献者为:

胡芳碧 - 副教授 - 西南大学