海洋起源與演化

海洋起源與地球起源密切相關。近兩個世紀以來，人類有關海洋起源與演化問題的知識已取得很大進展。儘管問題還未得到解決，然而卻有可能根據現有的資料（主要是地質記錄）和現代的地球史觀對海洋的發展提出一些模式。

基本信息

一般認為地球遠在46億年前起源於原始太陽星雲，它是通過吸積星雲物質(一些氣體和塵埃微粒)和經碰撞等物理演化過程而形成的。地球在形成時,溫度較低,幾乎是均質的。吸積造成了地球的緻密與收縮，而收縮則使原始星雲物質相互摩擦，從而釋放出一定的熱能；放射性物質的早期衰變釋放大量的熱能；隕石類物質撞擊地球也能造成局部性的升溫。這些作用使地球普遍升溫，造成了熔融，地球便在此全球性的熱事件中，並在重力作用之下，分化為地核、地幔和地殼的層狀結構。這一過程既決定著岩石圈的演化歷史，也影響著大氣圈、水圈以及生物圈的生成與演化。

起源演化

海水起源與演化在地球歷史的早期，大氣圈與水圈密不可分，當時的水分呈氣態（蒸氣）混於原始大氣之中，所以有關海水早期歷史的推論也必然集中於早期大氣圈歷史的探討上。

大洋水的形成在地球演化早期，由星雲凝聚而成的原始地球一方面繼續吸積、擴大，另一方面氣體與固體粒子逐漸分開，形成原始的大氣圈。但原始大氣不斷向星際空間逸散，所以原始大氣圈對於地球水圈的形成並無貢獻。在原始大氣逸散的過程中，來自地球內部的揮發物質不斷替補著原始的大氣，逐漸演變成一個次生的大氣圈。水圈的形成起初便有賴於這個次生的大氣圈。次生大氣圈的發育主要來自象火山噴發這樣的釋氣作用。當時它是還原性質的，而不是氧化性質的（氧化是現代大氣圈的特徵）。次生大氣圈生成之初，地球溫度還較高，幾乎所有的揮發氣體，包括 H2O都在大氣之中。但當地表溫度降到沸點以下,H2O便冷凝為水，形成原始海洋。由於大氣中含有HCl和CO2等氣體，故早期冷凝出來的水必定是酸性的，溫度也較高。（見地球大氣演化）

原始大洋是酸性的熱洋。原始大洋的酸性熱水與火成岩中的礦物發生劇烈作用，溶解出二氧化矽和某些陽離子,造成主要是由含鋁粘土礦物所組成的沉澱物,這便是原始大洋的沉積物。導致原始大洋發展的化學過程可歸結為：原生火成岩礦物+酸性揮發物+水→沉積岩+大洋+大氣。

根據地球上已發現的古老沉積岩年齡，可推測地球水圈的出現可遠溯至地質歷史早期。在南非發現了年齡為34億年的古老沉積岩,證明當時地球上已有水存在;該岩石中還發現極原始的有機體遺蹟，說明水的出現可能更早。現今已發現的最古老岩石位於格陵蘭西南部，年齡約38億年，岩石雖經變質，仍然保留了沉積作用的痕跡，提示當時水已出現。因此推測，地球水圈形成於35～38億年前。

大洋水是漫長地質歷史中地球內部排氣的產物。隨著時間的推移，大洋水因排氣作用不斷積累增長。據不同學者推測，水量增長有 3種可能的方式：①早期增長較快，在水量-時間坐標圖上顯示為拋物線型,即認為大部分海水是在地質歷史早期形成。②勻速增長的直線型。③晚期增長較快的指數曲線型，即認為大部分海水是在地質時期後期出現的。

早期大洋水地球水圈形成後,距今35到20億年,也許延續到距今15億年，是酸性、缺氧的原始大洋水逐步向現代大洋水過渡的時期。當時大氣中的含氧量大大低於現在，大洋水中的氧分則更低，沉積岩的來源也似乎比後來的岩源更為基性。礦物、岩石在缺氧大氣中崩解，變為碎屑，岩屑又在主要是缺氧的海洋條件下堆積起來。缺氧的證據主要有：①20億年以前的碳酸鹽是很少見的，這個時代的碳質沉積主要以石墨和油母岩的形式出現，證明當時缺少游離氧；②18～20億年以前的沉積岩中有許多易氧化礦物的碎屑，如黃鐵礦和瀝青鈾礦的碎屑等。這些碎屑雖然具有磨損、滾圓等淺水拖動的特徵，但是它們並沒有遭到氧化；③距今32～20億年的古老地層中廣泛出現沉積韻律清晰的條帶狀鐵礦，它們是從水體中沉澱出來的化學沉積物。鐵的大規模搬運只能在缺氧環境下以亞鐵形式(還原狀態)進行。但當時生命已在海洋中出現。厭氧生物的光合作用產生了少量生物性氧，它把溶解在海水中的亞鐵氧化為正鐵而沉澱下來，韻律性的條帶顯示了生物性氧的數量變動。總之，早期大洋水是缺氧的，而且可以把它看作是玄武岩經酸性淋濾而產生的溶液。

現代大洋水早期大洋水的pH值較現代海水為低。那時的火成岩偏於基性，當它們與酸，如HCl作用時,會產生中性或偏鹼性的溶液，原始的酸性大洋便逐步改變其性質。早期大洋水中的負離子可能主要是碳酸根和碳酸氫根離子，而不是氯離子，但隨著 HCl對岩石的淋濾作用，造成矽的釋放與沉澱，並不斷產生氯化物，早期大洋便逐漸向含氯離子的現代大洋過渡。大洋水可能在距今15～20億年時開始具有它現代的特點。這時海洋中具真核細胞的綠色植物出現,生物造氧能力大大增強,大量游離氧生成，氧不僅可以滿足海洋中的各種氧化反應，而且可以從水中外逸至大氣中，逐步形成具有現代特點的大洋水和大氣，以及高度氧化的地麵條件。游離氧的出現使原來呈亞鐵溶液狀態的大規模搬運和生成條帶狀鐵建造的沉積過程基本停止。鐵被氧化為正鐵，不再溶於水，只能保存在風化剖面中，形成15～20億年以來地球上廣泛出現的紅層。這是水圈和大氣圈開始具備現代特點,充分氧化的重要證據。從這時起,有足夠的氧能使二氧化碳(CO2)轉化為碳酸根(CO3)，使還原性硫(S)轉化為硫酸根(SO3)，因而碳酸鹽岩（主要是碳酸鈣──灰岩）和部分硫酸鹽岩（主要是硫酸鈣──石膏）開始大規模形成。距今20～15億年以來，各時期所形成的各種沉積岩類型之間的數量比率大致是相同的。

長時期以來，人們簡單地認為現代大洋的鹽分是來自於岩石的鹽分的積累，岩石被風化，經河流搬運，使鹽分不斷匯入大洋，因而大洋水的鹽度應該隨著時間的推移愈來愈高。然而，大洋水體並非是鹽的簡單積聚場所。在水和某些鹽類向大氣圈蒸發的同時，某些鹽類也必然以形成礦物的方式從水體中析出，轉移到岩石圈中；或是被生物吸收，轉移出水圈。所以現代大洋在化學總體上長期維持著一種鹽類收支平衡的穩定狀態，它不是鹽類的單純累積區，而是大陸（和很少部分的大氣）物質向海底傳輸和部分再返大氣的中間站。大洋成為穩態系統的重要特性早在15～20億年前便已開始形成。

洋盆的起源與演化大洋盆地是海水匯聚的地方，它的形成與發展是海洋起源與演化的重要方面。

洋盆起源歷史上曾出現過各種各樣有關洋盆起源的學說。隕石撞擊說認為，大洋是由於巨大的隕石撞擊地球產生一次或多次爆炸而形成的;月球分離說認為,月球是從地球母體分離出去的產物，而月球從地球上撕開時所留下的巨大傷疤，便是現代的太平洋；地殼均衡說認為，地殼密度小的區域形成大陸，密度大的形成洋盆；海底擴張與板塊構造說為洋盆的起源與演化問題，提供了比較合理的解釋。海底擴張說認為，地幔岩漿在大洋中脊處上升並固結，生成大洋地殼，較老的地殼被推向兩側從而生長出洋盆。新洋殼不斷生長，其生長率為洋脊兩側擴張速率之和。寬達 1.5萬公里的太平洋洋底只需 1.5億年左右即可形成。這與觀測到的洋底年齡相符。新洋殼的不斷生成必須同時在另外的地方伴隨有老洋殼的破壞與消亡，否則地球將無限膨脹起來。深海溝是較老的、逐漸冷卻的洋殼向下俯衝、返回地幔的地方。板塊的分離和匯聚造成大洋發生、成長與消亡的歷史。 洋盆的發展階段J.T.威爾遜等將大洋盆的演化劃分成兩大階段，即成長階段與衰退階段。每個階段又各分三個時期:成長階段分為胚胎期、幼年期和壯年期,衰退階段分為衰老期、終結期和殘痕期（見表）。有人將上述演化階段稱為威爾遜旋迴。

胚胎期的典型代表是東非裂谷系，它具有許多與大洋中脊類似的特點，雖然它還沒有生成洋殼，但已張裂，可視為胚胎型的大洋。幼年期的典型代表是紅海、亞丁灣，為狹窄的年青洋盆，已出現新生洋殼，是現代大洋的雛型（見彩圖）；挪威海、巴芬灣也是幼年期的實例。壯年期的典型代表是大西洋，它約在侏羅、白堊紀開始張開，發育至今已十分成熟，具有現大洋的一切特點，中部為大西洋中脊,中脊軸部有裂谷,裂谷內不斷溢出枕狀、繩狀拉斑玄武岩；印度洋與南大洋也是壯年期的例證。衰老期的典型代表是太平洋，它被視為泛古洋(panthalassa)的殘餘,在二疊紀和三疊紀時期,泛古洋覆蓋著泛古陸(pangaea)以外的整個地球表面。太平洋是世界上最大的大洋，它的擴張速率很高，但因洋盆邊緣收縮的速率大於東太平洋海隆的擴張速率，使它正處於總體收縮的過程中。太平洋邊緣發育著一系列島弧、海溝和年青的褶皺山脈，周圍大陸不斷向洋盆掩覆而來，使之縮小。終結期的代表是地中海，這個海盆在中生代時期就已存在。由於非洲與歐亞板塊的相對運動，至少在中新世時就曾被封閉過，地中海乾枯，變成內陸沙漠,形成大量的岩鹽等蒸發岩；距今約500萬年時，直布羅陀海峽被衝破，大西洋水復又灌入地中海。黑海和裏海也是這類例子。殘痕期的代表是喜馬拉雅山，而印度河-雅魯藏布江構造線,便是大洋封閉後留下的疤痕──地縫合線。在中生代時期，這裡曾經是分隔岡瓦納古陸(Gondwana-land)與勞亞古陸 (Laurasia)的特提斯海(Tethys)的一部分。 洋盆演化史在地球演化的歷史中，大洋與大陸經常改變它們的地理位置、配置形式，以及它們的大小與數量。洋底擴張、大陸漂移，即板塊分裂與聚合的作用至少已有 7億年了，它們也許還可能有長達20多億年的歷史。在過去的 7億年歷史中，大洋與大陸的相對輪廓、配置形式和變化狀況留下了比較明顯的痕跡，可供人們對它作初步的探索。大約7億年前的元古代末期,地球上只存在著一個超級大洋──泛古洋和一個超級大陸──泛古陸，泛古陸是由以前分離的大陸組成的,泛非-貝加爾構造線便是它們的板塊縫合線（圖a）。距今 5.7億年的寒武紀，泛古洋繼續存在，它可能就是太平洋的前身。當時地球上存在著 4個大海和 4個大陸，它們是古海西寧海、古加里東海、古烏拉爾海和古特提斯海，北美洲、歐洲、亞洲和岡瓦納古陸（圖b）。距今 3.7億年左右的泥盆紀，古老的歐洲與北美洲板塊碰撞，合併成歐美大陸，古加里東海消亡，出現加里東山脈（圖c）。距今 3億年的晚石炭紀，歐美大陸沿海西寧構造帶與岡瓦納古陸連線起來，古海西寧海消亡（圖d）約2.25億年前的二疊紀,亞洲沿烏拉爾構造帶與歐洲大陸合併,重新組成泛古陸,古烏拉爾海消亡。但古特提斯海仍然存在,它改變形態,以一個三角形的海楔入泛古陸之中,再逐步演化成後來的特提斯海(圖e)。這時作為太平洋前身的泛古洋仍繼續存在。距今大約1.9億年的中生代──侏羅紀早期，從墨西哥灣到直布羅陀一線張裂開來，承襲泛古洋的太平洋分出一支切入墨西哥灣，稱為太平洋海。它與由東向西而發育伸展過來的特提斯海相連在一起，把一個超級大陸──泛古陸分隔成兩個大陸，即北邊的勞亞古陸和南邊的岡瓦納古陸（圖f）；這時太平洋已正式形成，現代太平洋西北部洋底所發現的年齡近 2億年的洋殼就是這種證明。距今 1.35～1.1億年間的早白堊世，南大西洋開始張裂，生成洋盆，而後歐洲與北美洲分裂，因而岡瓦納古陸和勞亞古陸也開始破裂。在距今 0.7億年的晚白堊世,勞亞古陸和岡瓦納古陸都高度分裂,大西洋、印度洋和南大洋相繼出現；兩個古陸崩解後形成了歐亞大陸、北美大陸、南美大陸、非洲大陸、印度次大陸和南極洲－澳大利亞(圖g)。從距今0.65億年的古新世以來，格陵蘭與斯堪的納維亞分裂，挪威海與格陵蘭海形成，北冰洋與大西洋連通。距今0.53億年的始新世初，澳大利亞裂離南極洲，並開始向北漂移；距今 0.4億年的始新世晚期印度與亞洲主體碰撞，特提斯海東段關閉（圖h）；約0.18億年前的中新世期間，阿拉伯與亞洲主體碰撞，特提斯海西段部分關閉，遺留下西通大西洋的地中海；約 0.035億年前的上新世時，北美與南美重新相逢連通，巴拿馬地峽升起，切斷了大西洋與太平洋的直接通道，強烈地改變了大洋水的環流系統。 對於7億年以前海洋演化史的認識是非常模糊的,這是由於人們對地球早期的歷史缺乏認識，有關前寒武紀地質發展史的爭論還很大。在人們尚未確切探明地球的起源以前，關於海洋起源的任何解釋和學說都帶有很大的推測性。

生命與海洋生命孕育于海洋之中，生命的起源和早期演化依賴於大洋的發生和演化。大洋對於生命的形成提供了必要的物質基礎和生存環境。

儘管一切有關生命起源的討論是推斷的，但是生命在地球歷史上開始得很早，並發生於大洋之中則是有證據的。年齡約34億年的古老海洋沉積岩中發現了細菌化石遺蹟，故生命的開始必定在此之前。生命的起源應始於胺基酸的形成，而最早出現的胺基酸卻是無機合成的有機化合物。實際上，作為生命前驅的一些分子都是無機合成的，它們當中有組成蛋白質的胺基酸，組成核酸的糖和鹼基，以及構成膜的脂類等分子。早期還原性大氣圈的一些氣體溶解於大洋水中，使原始的大洋好似一種稀湯，在放電和紫外線輻射等能量作用之下，它們聚合成胺基酸、鹼基和核糖等大的有機分子，在實驗室里已證實了這種合成方式。這些合成的有機單體在熱力學上有利於解聚作用的大洋中再次聚合，最後便組成蛋白質、核酸等生命物質。雖然紫外線的輻射能量促使了生命物質的合成，但是在早期缺氧的大氣中並沒有足夠的游離氧去形成能吸收紫外線的臭氧隔離層，強烈的紫外線對於在地表剛形成的生命物質具有巨大的殺傷力，因而初生的生命物質必須依靠大洋，生存在紫外線達不到的大洋水中。對於初生的生命物質和原始生命，氧是一種具有侵蝕力的毒性氣體。一旦出現游離氧，氧化作用就將破壞胺基酸等生命物質，破壞如厭氧細菌等沒有保護系統的原始生命體，故而一個還原性的環境乃是從無生命的有機物進化到生命物質和原始生命體所絕對必需的條件。早期缺氧的大氣和大洋正好提供了這個條件，生命物質便得以在大洋中積累起來，演化成生命。所以大洋是生命的搖籃。

大洋中,也是地球上,第一批出現的生物是些單細胞的實體，它已初步具有遺傳的機構。前寒武紀大洋中生命演化的第一個重大事件是光合體的出現，最初的光合生物，出現於距今約30億年以前。光合體合成有機食物維持自己的生存，但又釋放出能破壞自身的氧。它產生的氧大部分被當時大洋中的亞鐵溶液所吸收，形成大規模的條帶狀鐵礦建造，但是在光合體形成以前已經出現了可以抵禦氧對生命體侵蝕的間氧酶。這個時期的生物是原核細胞組成的，即原核生物,它們只能無性繁殖,主要是細菌和藍藻。前寒武紀生命演化進程中的第二個重大事件是有核細胞的形成，約發生於18～14億年前。有核細胞組成的生物,即真核生物,具備有性繁殖能力。有性繁殖使新獲得的適應性通過群體迅速傳播開來，因而大大加速了生物進化與變遷的速率。

距今15～20億年前，地球大氣圈和水圈的性質經受了質的變化，從很少或沒有游離氧的還原性大氣與大洋，變成了氧化的大氣與大洋。臭氧層的形成大大減少了地球表面的紫外輻射，生命的演化無需再隱蔽在大洋的深處進行，它們可以逐漸轉移到淺水處，甚至陸上。而光合體和有核多細胞的相繼出現，使新的生命體不再懼氧，它們可以在富氧的環境中直接依靠可見光的能量進行光合作用，產生更多的有機物。10億年前，真核生物已是十分繁多,而5.7億年前開始的寒武紀更是急劇地湧現出大量種類繁多而又複雜的有殼多細胞型生物。從此，生物便真正開始其豐富多彩的進化階段（見海洋生命的起源和早期進化）。

參考書目

J.A.雅各布斯、R.D.拉塞爾、J.T.威爾遜著，劉光鼎譯：《物理學與地質學》，海洋出版社，北京，1984。(J.A.Jacobs，R.D.Rusell，J.T.Wilson，Physics andGeology，2nd ed.，McGraw-Hill，New York，1974.)

J.W.Valentine，E.M.Moores，Plate Tectonics andthe History of Life in the Oceans，Ocean Science，pp.239～248，1977.