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如果放眼歷史，從分子和化學(xué)的高度，來考察生命演化及其與地圈的關(guān)系，“柳暗花明”的感覺更加鮮明。推測生命起源于還原環(huán)境下高溫的熱液口，而生命的出現(xiàn)就必然改變地球上的地球化學(xué)作用，開始了生物圈與地圈協(xié)同演化的歷程。生物圈改造著大氣成分，而改變了的大氣又要求生物做出響應(yīng)，因此光合作用演化和固氮作用演化，都是地球系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。生物圈與地圈協(xié)同演化如此密切的關(guān)系，令學(xué)術(shù)界驚嘆不已，因而提出了“蓋婭”假說，認(rèn)為地球猶如有機(jī)體能夠自我調(diào)節(jié)，提倡研究“地球生理學(xué)”。
地球深部與表層系統(tǒng)的結(jié)合
地球系統(tǒng)科學(xué)決不能局限于表層系統(tǒng)，在長時間尺度上尤其如此。正是在表層與深部的結(jié)合上，醞釀著新的突破。
人類生活在地球表層，首先關(guān)心和比較了解的都只是表層。但是“由表及里”是認(rèn)識的規(guī)律，近年來越來越多的證據(jù)表明地球表層看到的現(xiàn)象，根子在深部；缺了深部，地球系統(tǒng)就無法理解，越是大范圍、長尺度，越是如此。
水循環(huán)和碳循環(huán)是貫穿地球表層系統(tǒng)的“紅線”，其實兩者都深入到地球內(nèi)部。只是在地球深部循環(huán)的速度比在表層系統(tǒng)中慢得多，往往不被注意；而在百萬年以上的長時間尺度里，地球系統(tǒng)碳循環(huán)的主角就是地幔和地殼。造山作用使巖石圈抬升并遭受剝蝕，巖石圈主要成分硅酸鹽的化學(xué)風(fēng)化相應(yīng)加劇，消耗大氣中的CO2；巖石圈隨板塊俯沖到地幔深處，在高溫高壓下發(fā)生變質(zhì)作用放出CO2，通過火山活動又回到大氣。這種巖石圈和大氣間的碳循環(huán)周期，長達(dá)千萬年以上，但這類深部成因的溫室氣體可以對地球表層系統(tǒng)產(chǎn)生重大的氣候效應(yīng)。
地球深部的水循環(huán)，是近年來研究的熱點。最直觀的是大洋中脊的熱液系統(tǒng)：海水沿著海底的裂隙下滲，到四五千米深處與熔巖接觸，升溫到三四百度后重返海底，將深部物質(zhì)與能量帶到表層，造成特殊的成礦作用和生命系統(tǒng)。在俯沖帶，大洋板塊帶著水下沉到地幔深處。實驗表明，玄武巖和安山巖的大洋殼可以含1-2%的水，深入到俯沖帶200公里以下。地質(zhì)歷史上帶入地幔的水,可能相當(dāng)于現(xiàn)在大洋海水總量的四分之一�？v觀地球史，最早形成地球的物質(zhì)中有2%的重量是水，而今天表層系統(tǒng)中的水只占地球重量的0.02%,除去逸失者外，其余應(yīng)當(dāng)留在地球的深部。據(jù)估計，下地幔中儲存的水就相當(dāng)于全大洋總量的五十倍之多。如此說不謬，我們對整個地球“水圈”的認(rèn)識，還差一兩個數(shù)量級！
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