地球的形成源于137亿年前发生的一次大爆炸。爆炸的特点是温度极高，密度极大。地球是太阳系的一员，它的起源和太阳系的起源基本是一样的。太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统，其最大范围可延伸到约1光年以外。太阳系的主要成员有太阳（恒星）、八大行星（包括地球）、无数小行星、众多卫星（包括月亮），还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质，太阳的质量占太阳系总质量的99.8%，其他天体的质量总和不到太阳系的 0.2%。太阳是太阳系的中心天体，它的引力控制着整个太阳系，使其他天体绕太阳公转，太阳系中的八大行星（水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星）都在接近同一平面的近圆轨道上，朝同一方向绕太阳公转（金星例外）。宇宙有起源也会有消亡，科学家预计，若干亿年后，宇宙会急剧收缩，以至于回到大爆炸以前的相貌。

地球的起源自古以来一直是人们关心的问题。研究地球的起源不仅由于它的哲学意义，也由于地学中许多重要现象的根本原因都要到地球的形成过程中去寻求答案。例如：地球内部的构造和能源分布，地震的成因，等等。

在古代，人们就曾探讨过包括地球在内的天体万物的形成问题，关于创世的各种神话也广为流传。自1543年波兰天文学家哥白尼提出了日心说之后，天体演化的讨论才开始步入科学范畴，逐渐形成了诸如星云说、遭遇说等学说。但事实上，任何关于地球起源的假说都有待证明。

地球形成于46亿年前，初期的痕迹在地面上已很难找到了，以后的历史面貌也极为残缺不全。若想从地球面貌往前一步一步地推出它的原始情况，困难极大。任何地球起源的学说都包含有待证明的假设。而且，不同的假说常常分歧很大。200多年来，地球起源的假说曾提出过几十种。到了人造卫星时代，可直接探测的领域已扩展到星际空间。这个问题的探索也进入到一个新的活跃阶段。

早期假说属于系内成因理论，认为绕太阳运动的行星等天体是在太阳系内形成的，地球也是在太阳系内形成的。

1.太阳星云和星云盘

约在50亿年以前，银河系中存在着一块太阳星云。它是怎样形成的，尚无定论，不过对于研究地球的起源，不妨以它为出发点。

太阳星云是一团尘、气的混合物，形成时就有自转。在它的引力收缩中，温度和密度都逐渐增加，尤其在自转轴附近更是如此。于是在星云的中心部分便形成了原始的太阳。其余的残留部分围绕着太阳形成一个包层。由于自转，这个包层沿着太阳赤道方向渐渐扩展，形成一个星云盘。星云盘形成的具体物理过程至今还不很清楚，不过一个中心天体外边围绕着一个盘状物，这种形态在不同尺度的天文观测中都是存在的，例如星系NGC 4594、恒星MWC 349和土星。

星云盘的物质不是太阳抛出来的，而是由原来的太阳星云残留下来的。因为行星上氢的两个同位素2H和1H的比值约为2×10-5，同在星际空间的一样；但在太阳光球里，这个比值小于3×10-7。这是因为在太阳内部发生着热核反应，2H大部分消耗掉了。星云盘是行星的物质来源，所以行星不是由太阳分出来的。太阳星云原含有不易挥发物质的颗粒，它们互相碰撞。如果相对速度不大，化学力和电磁力可以使它们附着在一起成为较大的颗粒，叫做星子，星子最大可达到几厘米。在引力、离心力和摩擦力（可能还有电磁力）的作用下，星子如尘埃物质将向星云盘的中间平面沉降，在那里形成一个较薄、较密的尘层。因为颗粒的来源不同，尘层的化学成分是不均匀的，但有一个总的趋势：随着与太阳的距离增加，高温凝结物与低温凝结物的比值减小。尘层形成后，除在太阳附近外，温度是不高的。

太阳带有磁场，辐射着等离子体（见太阳风）和红外线，不断地造成大量的物质和角动量的流失。有些天文学家认为在太阳的发展过程中，曾经历一个所谓“金牛座T”阶段。这个阶段的特征是：高度变化快、自转速度快、磁场和太阳风特别强烈等。不过这个阶段的存在是有争议的。另一方面，由于磁场（或湍流）的作用，太阳的角动量也有一部分转移给尘层，使它向外扩张。在扩张的过程中，不易挥发和较重的物质就落在后面。这就使尘层的成分在不同的太阳距离（即不同的温度区域）处大有不同，并且反映在以后形成的行星的物质成分上。

2.行星

尘层是一个不稳定的系统，在太阳的引力作用下，很快瓦解成许多小块的尘、气团。按照萨夫龙诺夫（B.C.Caфpoнoв，1972）的理论，这些尘、气团由于自引力收缩，又积聚成小行星大小的第二代星子。由星云盘产生尘层所需的时间比较短，但形成小行星大小的星子则需约104年。

星子绕太阳运行时常发生碰撞。碰撞时，有的撞碎，有的合并增长。当一个星子增长到半径几百千米时，它的引力就足以干扰附近星子的运行轨道而使它们变形和倾斜，于是原来扁平的运行系统就变厚起来。同时，星子越大，它的引力增长也越快。在一个空间区域里的最大星子很容易将它附近的较小星子吞并而积聚成一个行星的核心，最后将一定区域内的尘粒和星子基本扫光而形成行星。在尘层中，只有几个星子能增长成为行星，其余的都被吞并，太阳系仍是扁平的。这是许多星子和尘埃物质积聚后的结果。

3.陨石

地球上另一重要线索是陨石。陨石是来自地外空间的天体碎片，年龄和地球是同量级的，可能与地球同一来源。陨石有多种类型，最常见的一类叫做球粒陨石。它的化学成分，除了容易挥发的元素外，与太阳光球中的元素成分或地球的估计成分很接近，但也有几种元素，与球粒陨石相比，地球上显得奇缺。正是通过将这种差异与其他的内行星作比较，地球化学家对地球的形成机制和演化作出了重要的贡献。

4.星云盘的成分

星云盘的成分包括3类物质：氢和氦约占总质量的98%；冰质物，主要是O、C、N、Cl、S的氢化物和Ne、Ar，约占1.5%；石质物，主要是Na、Mg、Al、Si、Ca、Fe、Ni的氧化物和金属，约占0.5%。随着星云盘中尘层密度的增大，太阳辐射的透明度降低。

考虑到太阳的光度可能突然增强过（金牛座T阶段），估计那时地球区的温度也不会超过300 K。在内行星的区域，只有少量的冰质物可以凝固，成星的物质主要是石质物。在天王星和海王星的区域，冰质物和石质物都已凝固，行星的成分主要是冰质物。土星和木星的成分主要是氢和氦。可能它们的石质物和冰质物的核心已经大到可以有足够的引力以使附近的尘层失稳，从而俘获了大量的氢和氦（这只是一种设想）。在行星形成的过程中，易挥发的物质经历了明显的分馏作用。行星的质量只是星云盘极小的一部分。

现代假说属于系外成因理论，认为绕太阳运动的行星等天体是在太阳系外的宇宙空间形成的，当这些天体运动到距离太阳适合位置时，被太阳捕获而成为绕太阳运动的天体。地球是在太阳系外形成的，在距今5.4亿年左右，被太阳捕获而成为绕太阳运动的行星。

地球被太阳捕获后，地球开始有了阳光，地质时期进入显生宙，生物爆发式出现和发展，冰川融化，形成大量的生物碎屑灰岩等沉积建造。(www.daowen.com)

以上地球形成和演化的轮廓可以基本上解释前述的天文以及地球物理观测事实。又由于太阳系不是一个封闭的系统，发生过大量的物质及角动量的流失，以前的角动量分布问题，已无重要的意义。但进一步分析也发现，有些情况还需澄清，有些关键性的论据还有分歧的意见。以下简述几个仍在引人注意的问题。

1.地球的化学组成

地球岩石的化学成分和球粒陨石很相近，但也有显著的差别，特别是地球上层的硫和钾极为匮乏。为了解释这个现象，林伍德（A.E.Ringwood，1966）采用第一类碳质球粒陨石作为内行星成分的模型，并假定地核是FeO在高温下还原而形成的。这样，钾、硫及一些易挥发的物质就在这个过程中丢失了。但这个模式将产生极大量的大气，无法处理掉。它也不能解释水星的密度（平均5.42 g/cm3）和火星的高氧化状态。地球上保留着H2O、N2、CO2，但挥发掉大量的碱金属的事实也是不易解释的。还有一些其他的假说，例如利用不同类型陨石混合物，或不同假设条件下，行星物质的凝结物等作为行星积聚时的初始成分，也都带有任意性，没有足够的说服力。

近来测试技术有了很大的进展。对太阳光球、普通球粒陨石、质球粒陨石的重复测试结果，以及对全太阳系的元素丰度的估计，都表明它们的钾和硅的原子数比值（Nk/NSi）变化范围不大，约在百万分之三千二百到四千二百之间。如果地球的Nk/NSi比值和太阳相近，则地球的含钾量约为百万分之六百五十至九百（质量），其中约有80%～90%可能存在于地幔下部及地核中。值得注意的是，刘易斯（J.S.Lewis，1973）采用平衡-均匀的积聚模式作过仔细计算，得到的结果是地球可能有一个Fe和FeS的核，并且它的Nk/NSi比值和太阳的很相近。这表明地球的钾和硫其实并不匮乏。地球物理的观测表明地核中除铁、镍外，还须含有 10%～20%的轻元素。钾原是亲硫的元素，所以钾和硫都存在于地核是可能的。同时，地核含钾也有利于解释地磁场起源于地核的能源问题。

2.地球积聚的模式

地球积聚的模式有均匀和不均匀两类。均匀模式认为地球是由硅酸盐、金属和金属氧化物固体颗粒的均匀混合物积聚而成的。这个混合物是经过复杂的物理和化学过程在积聚时或积聚之前就已经形成了。不均匀模式则认为积聚过程是按照星云中物质凝固先后顺序进行的，先凝固的先积聚。因此，在地球生长过程中所积聚的物质是有变化的。经典的均匀积聚模式假定积聚的物质成分和球粒陨石很相近，积聚持续时间很长，约为107～108年。初始地球的平均温度估计不超过1 000 °C，整个地球最初处于固态。这个模式虽可基本上解释许多地球物理观测事实，但也遇到一些地球化学上的质疑。按照这样缓慢的过程，地球内部是应处于化学平衡的，但地幔中有些金属的相对丰度似乎又比化学平衡时所应具有的丰度高得多。有些科学家企图对以上均匀模式做些修正，但迄今仍存在分歧。

不均匀积聚模式要求初始温度高，太阳星云的质量大，积聚过程的时间短（只需103～104年）。行星基本上应有化学分层的趋势，越先凝固的物质应处于地球越深的地方，浅处的物质应比较易于挥发，但实际地球的情况并非如此。不均匀模式所遇到的质疑比较多，而且是严重的。

3.行星积聚的时间

行星积聚所需的时间影响行星的成分、构造和内部能源，是一个重要的数据。但各家的估计相差甚远，由103年到108年。瑞典天文学家H.阿尔文等人认为星子运行时可以形成一种激流，从而产生积聚。由这个前提出发，他计算出的积聚时间为108年。但对于这种激流的存在和它的机制，许多学者都持保留态度。萨夫龙诺夫研究了由尘埃物质积聚成行星的全过程，他得到由星子积聚成地球约需108年。萨夫龙诺夫的工作是迄今最详尽、最严谨的，但他的方法若用于天王星、海王星和火星时，所得结果却不能令人满意。其他一些著名学者如H.C.尤里、伯奇（F.Birch）和埃尔萨塞（W.M.Elsasser）等，也都倾向于长的时间尺度，即约108年。不均匀积聚模式的支持者，大都倾向于短时间尺度，即103～105年。显然，行星积聚过程的物理机制和条件还研究得很不够，有待进一步探索。

4.太阳星云的质量

太阳星云的质量是一个重要的数据，许多人对它做过估计。最简单的方法是将现有行星和太阳的总质量补上它们丢失的质量，这样得到的结果只是一个极粗略的下限。其他的估计方法也很粗略，但结果很不一致。总之，多数学者倾向于太阳星云的质量约等于太阳的质量加上它的百分之几。例如：霍伊尔（F.Hoyle）取Mn=（1+0.01）M⊙，M⊙是太阳的质量，Mn是星云的质量；萨夫龙诺夫取Mn=（1+0.05～0.1）M⊙，沙兹曼（E.Schatzman）取Mn=（1+0.1）M⊙，但卡梅伦（A.G.W.Cameron）和列文（Б.Ю.Лeвин）则取Mn=（1+2）M⊙。取大质量时，如何将多余的质量在行星形成过程中去掉是一个困难。可以证明，若取小质量，则星云演化为星云盘时，温度是不高的（低于0 °C）；若取太阳质量的3倍，则在内行星的区域，温度将高达1 000～2 000 °C。

地球形成时基本上是各种石质物的混合物，如果积聚过程持续107～108年，则短寿命放射性元素的衰变和固体颗粒动能的影响都不大。初始地球的平均温度估计不超过1 000 °C，所以全部处于固态。形成后，由于长寿命放射性物质的衰变和引力位能的释放，内部慢慢增温，以致原始地球所含的铁元素转化成液态，某些铁的氧化物也将还原。液态铁由于密度大而流向地心，形成地核（这个过程何时开始，现在已否结束，意见颇有分歧）。由于重的物质向地心集中，释放的位能可使地球的温度升高约2 000 °C。这就促进了化学分异过程，由地幔中分出地壳。地壳岩石受到大气和水的风化和侵蚀，产生了沉积和沉积岩，后者受到地下排出的气体和溶液，以及温、压的作用发生了变质而形成了变质岩。这些岩石继续受到以上各种作用，可能经受过多次轮回的熔化和固结，先形成一个大陆的核心，以后增长成为大陆。原始地球不可能保持大气和海洋，它们都是次生的。海洋是地球内部增温和分异的结果，但大气形成的过程要更复杂。原生的大气可能是还原性的。当绿色植物出现后，它们利用太阳辐射使水气（H2O）和二氧化碳（CO2）发生光合作用，产生了有机物和自由氧。当氧的产生多于消耗时，自由氧才慢慢积累起来，在漫长的地质年代中，便形成了主要由氮和氧所组成的大气。

地球演化时期特征、固体地球结构分别如表1-1、表1-2所示。

表1-1　地球演化时期特征

续表

表1-2　固体地球结构