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第二節 大氣圈及海洋變遷

第二節 大氣圈及海洋變遷

地球環境的演化主要是指大氣圈、水圈的形成與演化的過程。對於水圈來說，現代海洋海水占主導地位，故由水圈討論海洋的形成演化過程。透過對大氣圈中CO2分壓的演化、海水pH值的演化與地球內部核轉變能的演化之間的相關關係的比較研究不難發現：地球形成以來的環境演化是地球內部核轉變能演化及其所導致的岩漿、火山、構造等活動作用的結果。

1、大氣圈演化

由於太陽系是由同一原始星雲形成，地球在形成的初期應當具有原始大氣，它的成分和現在宇宙空間中的氣體成分一致。在原始星雲中，H元素最豐富，因此推測地球形成初期也應當具有以H和He為主體，以H的化合物為次要成分的還原性大氣。

地球形成以後，地球的大氣是次生的。大氣圈的演化大至經歷了以H2O；CO2；SO2；；H2S；N2；HCI；　CH4組成的火山型大氣到H2O…CO2型大氣再到N2…O2型大氣的三階段。主要是透過地球形成初期強烈的構造岩漿與火山活動脫氣過程，釋放出大量的CO2；CO；H2；H2O；SO2；；H2S；N2；；HCL；CH4等氣體，組成地球早期的具有火山脫氣成分的大氣層。大氣中的水汽冷凝形成海洋後，透過大氣圈、水圈的相互作用，大氣圈由火山氣圈逐漸演化成為CO　2型氣圈，再經歷大氣圈、水圈、生物圈、岩石圈間的相互作用，演化為今天的N2…O2型大氣。

大氣中H2　O隨著地球表面溫度的降低而冷凝為水，形成現代的水圈。在地球形成之後的演化過程中，水與CO2一樣為保持地表溫度的相對恆定起著重要作用。隨著H2O的冷凝，HCl　；　SO2溶於水中，H2S溶於水中或經氧化後溶於水中進入水一巖體系使這些氣體成分參與氣一水一巖迴圈：

大氣中CO2經歷了一個由少到多再減少的過程。利用沉積礦物的共生組合特徵來恢復大氣CO2氣體的分壓值得出大氣C02氣體的演化可分為三個階段（圖2）：

1）地球形成以後到*　109年左右，CO2氣體隨地史演化過程中火山噴發等構造活動越積越多並達到最高值；

2　）　2　。　6　*　109年到*　109年左右（前寒武紀末），這個階段大氣CO2分壓值隨著全球性火山噴發週期而劇烈波動，在*　109年左右和*　109年左右出現低谷（一個大氣壓左右），在*　109年左右出現波峰（十幾個大氣壓）；

3）　*　109年（前寒武紀末）以來，大氣CO2分壓繼續下降，並趨向於某種低值條件下的動態平衡，最終降到現在的（陳福等，1988）

對於大陸、海洋形成之後大氣圈中CO2的演化可考慮大氣圈、大洋、大陸、海底以及地幔五個地球化學碳儲庫間碳迴圈過程（圖3）。大氣CO2溶於大氣水降落地表，使陸地岩石（矽酸鹽、碳酸鹽）風化，在雨水淋濾、河流搬運下進入海洋，與海水中各種離子匯合併發生沉降，形成海底碳酸鹽，海底碳酸鹽隨板塊一起運動，最終衝到大陸地殼下面，一部分使大陸增生，經變質作用以火山脫氣的形式返回大氣；另一部分則進入地幔經熔融、再氣化作用後，透過洋中脊釋氣、火山噴發、溫泉釋氣等形式重新進入大氣圈，構成碳迴圈過程（Tajik和Matsui；　1991）

地球形成後，大氣圈氮氣的演化過程基本上是火山噴發的N2的累積過程。火山噴氣使大氣圈中的N2不斷增高，早期的N2由宇宙線照射或雷電效應的作用轉化為NH3和NO3，NO3可與陽離子形成硝酸鹽礦物，火山噴氣形成的硝酸鹽也起固氮的作用，但是目前認為硝酸鹽礦物在自然界中易溶於水，只見於乾燥炎熱的沙漠地帶的近代沉積物中，早期潮溼型氣候條件下，自然固氮作用弱，故在生物初現之前，大氣中氮氣的濃度是不斷積累而達到高於現在的水平；生物出現之後，由於NH3是生命產生的重要物質形式，生物固氮作用會使大氣中的氮氣有一個較大的降低（現代生物固氮作用約佔自然固氮氣的90　％　），然後在大氣圈一水圈一生物圈中達到平衡形成現在的79％左右。

在地球的演化過程中，氧氣的演化也可明顯的分為生物出現前與生物出現後兩個階段。生物大規模出現前，O2隨著H2O的光解作用的進行而不斷地產生，現代大氣中O2總量為克，如果不考慮其他氧氣產生來源，則按照現代光解速度值（一般給出為4x