20 世紀 60 年代，阿波羅號宇航員首次傳回了顆粒狀地球黑白照片，1970 年 1 月，《時代》雜誌刊載了從太空拍攝的第一張地球彩照，驚訝無比的人類立刻面臨兩個明顯的事實。首先，地球是一個極其美麗的宇宙天體，在漂浮的白雲下，深藍的大海與褐綠相間的大陸相互作用。其次，地球這顆行星看起來非常孤獨和脆弱，它是一個擠滿生命的、微小而自足的天體，與周圍廣袤、「空虛」的太空形成鮮明對比（參見圖 2.6）。正如我們後面還會講到的，當前許多科學家將地球視為一個連通的體系，在那裡，所有化合物（有機的和無機的）和諧一致地運作，以便維持這顆行星和生物圈。在這一部分和下一部分，我們會考察當前科學理論對地球如何最終成為目前形態做出的解釋，在 20 世紀 60 年代，地球的這種圖景深深吸引了首次看到它們的宇航員和肅然起敬的人類。
圖 2.6 從太空看到的地出。
1968 年「阿波羅號」宇航員拍攝的美麗的「地球生命船」
地球結構的形成：分化
在考察地球歷史的各個階段之前，我們需要解釋的第一個過程，就是早期地球（來自太陽的第三塊石頭）的形成。我們都知道，早期地球十分熾熱，原因在於它與星雲殘餘物不斷的激烈碰撞、內部放射性物質的衰變、引力的擠壓效果帶來的內部壓力的不斷增加。在熱量增加、溫度升高的情況下，地球所含有的鐵和鎳開始熔化，由此發生化學分化（chemical differentiation）過程。由於引力作用，熔融的重金屬沉入地球中心，很快（從地質時間來說）形成了高密度的鐵核。
同時，地球的熔化促使質量較輕的熔岩上升到地球表面，然後它們在那裡凝固形成原始地殼，即地球表面薄薄的一層（類似於蛋殼）。地殼的岩石物質包含大量硅和鋁；較少的鈣、鈉、鉀、鎂和鐵；還有一些重金屬元素，如金、鉛以及鈾。自化學分化開始以後，原始地殼由於侵蝕作用而不復存在或發生劇烈改變，因此，我們很少獲得關於它的最初構成的直接證據。即使使用放射測年方法，早期大陸地殼形成的確切年代還有待地質學家不斷研究。不過，通過測定迄今為止所發現的最古老岩石的年代，我們得到的數據大約是 40 億年，因此，我們的推測就是，原始地殼至少形成於 40 億年前。
地球的結構
地質學家使用兩種標準描述地球的結構。地層可以通過它們的化學成分和物理屬性得到界定。地球由地殼、地幔和地核構成。地殼又分為海洋地殼和大陸地殼。較薄的海洋地殼主要由黑色火成岩構成，這種岩石是熔融的礦物質凝固形成的。它的厚度大約是 8 千米。更厚的大陸地殼的平均厚度是 40 千米，不過，在大山地區厚達 64 千米。大陸地殼含有不同類型的岩石。一般而言，上層大陸地殼的成分主要是花崗岩，下層主要是玄武岩。
到目前為止，我們發現，地幔佔地球體積的絕大部分（超過 80%）。地幔是固體巖區域，厚度達 2900 千米。在地殼和地幔結合處，地質學家發現了化學成分的重要變化。上地幔主要由橄欖巖組成，這是一種粗糙的火成岩，富含鎂。更深處地幔被擠壓形成密度更大的晶態結構。地核的化學成分被認為是鐵和鎳，以及少量其他元素，它們與鐵形成合金。在地核的極端壓力之下，這些元素的密度大約是水密度的 14 倍。
地球結構的物理屬性受到更深處不斷增強的壓力的影響，同時也受到地球由外向內急劇上升的溫度的影響。儘管還沒有收集到直接證據，不過，最好的估計就是，在 96 千米深處，地球溫度大約處於 1200 到 1400 攝氏度之間，而地核的溫度超過 6700 攝氏度。地核的極端高溫表明，地球保留了它在形成時期（通過吸積方式）獲得的大量熱能。依據物理屬性，地球主要被分為五層：岩石圈（地殼和上地幔頂部）、軟流層（更深和更熱的地幔層）、中間圈（介於軟流層與外核之間的區域）、外核和內核。
岩石圈（lithosphere）和軟流層（asthenosphere）是地球最外層，構成地殼和上地幔。這些地層就像一個冰涼而堅硬的整體那樣活動。岩石圈平均厚度為 96 千米，不過，在更古老的大陸下面，它要厚一點；軟流層貫穿上地幔，厚度大約 640 千米。軟流層頂部有一個相對高溫區，那裡會發生熔融現象，從而使得上面的岩石圈可以單獨活動。就板塊構造理論來說，這個事實非常重要，本章後面會對此進行討論。
中間圈是指下地幔，儘管那裡的溫度依然很高，不過，逐漸增強的壓力讓更不穩定的軟流層下面的岩石變得更堅硬。更加剛性的中間圈的厚度，在 660 千米到 2900 千米之間。更深處是外核和內核，它們有著完全不同的物理屬性。外核是一種液體層，厚度大約為 2260 千米。外核中液態鐵的流動創造了地球磁場。球形內核（半徑 1206 千米）溫度極高，不過，由於巨大壓力的作用，它活動起來更像是固態的（參見圖 2.7）。
圖 2.7 地球的結構。
地球的結構包括內核、外核、下地幔、上地幔以及地殼
科學家如何瞭解地球的結構？
或許很多人都想知道，科學家是如何瞭解地球的內部結構的。他們當然不可能為了直接觀察而在地球上挖一個足夠深的洞；事實上，世界上最深的礦井（位於南非境內）也只有 4 千米，而迄今最深的鑽孔位於俄國科拉半島，1992 年，它深入地下大約 12 千米。近來，加州科學家正在打一個預計深度為 3.2 千米的鑽孔，目的在於建造世界上第一座地下觀測台來觀測活躍的聖安德烈亞斯斷層（San Andreas Fault）。
由於不存在直接觀測到或受到檢驗的證據，因此，我們當前對地球結構的理解，只是通過間接證據推測的結果。科學家能夠測量到的，就是在地球內部傳播的地震波。這些地震波穿透地球內部，在經過具有不同化學和物理屬性的區域時，會改變速度或發生彎曲。通過使用現在全球各地都安裝的測震儀——1880 年被製造出來的一種儀器，用於測量在地球上傳播的能量波——計算機就能夠對地震波進行分析，並且建構地球層級結構圖。
地質學家也使用從地球表面收集的、最初形成於地幔的岩石，來論證地球的內部成分。實驗室所分析的含有鑽石的岩石樣本表明，只有在地球深處 190 千米以外那種高溫環境下，它們才能夠形成。在世界各地，包括塞浦路斯、紐芬蘭和阿曼在內，我們也發現了伸出海平面之上的部分地幔。地表尚不存在地核的樣品，不過，所有間接證據（尤其是磁力學原理）都表明，地核主要是由鐵元素構成。隕石提供了輔助性證據，因為它們是形成類地行星的物質樣品。隕石的成分主要是鐵、鎳和硅酸鹽，它們是在太陽周圍形成的太陽星雲的殘留物。與地殼和地幔相比，隕石所含的鐵要多很多，因此，唯一可能的結論就是，在發生化學分化時，大量的鐵沉入地球的核心。
第一個 10 億年
地質學家把 45 億年的地質史分為不同的時間單元。宙（eon）的時間跨度最大，它又被細分為不同的代（era）。代又被分為更小時間單位紀（period），紀再次細分為更小的世（epoch）。不過，詳細的地質學時間表只是開始於寒武紀，即大約 5.4 億年前，寒武紀是多細胞生物形式出現的標誌（參見下一章）。此前 40 億年被分為三個宙：冥古宙、太古宙以及元古宙。
冥古宙（the Hadean eon）：大約從 45 億年前延續到 38 億年前。這個名稱來自古希臘人的冥界，即亡靈居住的地方。地質學家將我們地球歷史的這個最早階段稱為冥古地球，因為它是十分「可怕的」一個地方。在冥古宙，這顆行星的主要成分都形成了，並且也各有其位，不過，它們與今天的面貌完全不同。對地球學家來說，由於不可能進行直接觀察，因此，地球歷史的第一個 10 億年是一段「失去的時期」，科學對冥古宙的重建工作，很大程度上依靠設想和推斷。
即便如此，科學還是能夠對大約 40 億年前的地球（也就是大約在它形成 5 億年之後）做出很有說服力的描述。那時的天空很可能是紅色，因為大氣中含有大量二氧化碳。太陽昏暗、月球離地球更近，每天只有 15 個小時，地球表面不斷被從天而降的隕石和彗星撞擊。
與今天相比，冥古地球的大氣完全不同。它有更多烏雲，也更厚，從而可以保護地面，並且防止快速的冷卻。沒有自由氧，不過，存在許多對今天生命形式有害的氣體。其中可能包括二氧化碳（80%）、甲烷（10%）、一氧化碳（5%）以及氮（5%）。地球這顆行星也可能存在溫室效應，因為大氣中大量二氧化碳將太陽熱量截留在地表，帶來長期的全球變暖。冥古宙早期，海洋也不存在。地表及其上空的溫度很高，地表水完全蒸發（水蒸氣停留在大氣的濃密烏雲中），大地多火山，處於熔融狀態。在任何旁觀者看來，這種環境下生命出現的可能似乎微乎其微！
不過，大量持續不斷的火山活動表明，地球在地質學上是活躍的，因此，也會發生變化。事實上，在第一個 10 億年，冥古地球的物理和化學特徵是穩定的。當這顆行星冷卻下來，地面溫度降到水的沸點以下時，大氣雲層中儲備的水蒸氣得以釋放出來，這場暴雨持續幾百萬年之久。從天而降的雨水注滿了地球表面低窪之處，最早的海洋就此形成。連續不斷的暴風雨（因含有大量二氧化碳而酸化）很可能洗刷和溶解了大量硅酸鹽（它們是原始地殼的成分），這也解釋了地質學家為何無法獲得來自冥古宙的直接證據。
原始海洋之水的最初來源，依然是天體物理學家和地質學家思考的對象。人們一般認為，構成原始大氣的氣體和水蒸氣是通過火山活動從地球內部噴射出來的，不過，這種觀點絕對沒有被普遍接受。另一種理論認為，這類物質大多是由彗星撞擊地球帶來，在最初 5 億年這種撞擊很常見。月球隕石坑證明了撞擊的強度，地球很可能也遭到那種擊打。在月球和地球上，直徑從 5 千米到 500 千米不等的彗星撞擊所產生的熱量，很可能熔化了地球表面的硅酸鹽，破壞了冥古宙的化石證據。
在太陽系最初 2 億年歷史中，儘管大型原行星之間的衝撞逐漸減少，不過，彗星撞擊的幾率要 5 億年之後才近乎為零。由此可見，太陽系的行星和其他穩定的天體需要花那麼長時間來捕獲臨近區域的絕大部分殘留物。我們前面已經提到，20 世紀 60 年代，「阿波羅號」宇航員從月球帶回了撞擊熔岩碎片，其放射年代表明，在大約 41 億年前到 38 億年前，月球——也意味著地球和其他類地行星——遭到隕石和彗星的大量撞擊。如果這些彗星含有大量水和氣體，那麼，地球（與月球不一樣）的質量足以使它們留在大氣中。
然而，冥古宙晚期，並非一切事物都穩定下來了。大氣中仍然含有大量二氧化碳和其他對人類有害的氣體，也沒有任何氧氣。沒有臭氧層來保護地面免遭來自太陽紫外線的傷害，因為臭氧（由三個氧原子構成的氧分子）是氧氣的副產品（參見第 3 章和術語表）。到冥古宙晚期，地球變得更冷，基本上被地表水覆蓋，受到的撞擊少了許多，此時，它已經為太古宙和元古宙時期活的有機物的出現和繁榮做好了準備（參見第 3 章）。
獲得大氣層
地球現在被一層氣體包裹，這就是大氣層。大氣層 50% 處於海拔 5.6 千米以下，90% 處於 16 千米以下。這層薄薄的氣體毯子為我們提供了呼吸的空氣，保護我們免遭太陽熱量和危險輻射的傷害。科學家把地球大氣的歷史分成 4 個階段。
階段 1：沒有大氣層。在地球形成的早期階段，這顆行星太小，沒有強大的引力場。任何自由氣體（沒有發生化學結合）都無法聚在它的周圍，而是飄散到太空。
階段 2：早期大氣層——來自排氣還是彗星？形成地球最早大氣層的氣體，可能來自火山噴發，或者是由彗星帶來的。前一個過程——被稱為排氣（outgassing）——的支持者通過對今天火山噴發的氣體（主要為二氧化碳和氮氣）進行分析，從而對地球早期大氣層做出了精確的化學描述。另一種理論認為，彗星供應了氣體和水蒸氣，這種理論的支持者聲稱，彗星為地球帶來的水是現在的海水的 10 倍，提供的氣體是今日大氣層氣體的 1000 倍。（形成月球的那次碰撞，必定產生了大量熱能，最終導致地球完全喪失了到那時為止聚集起來的所有氣體和水蒸氣。）
階段 3：氧氣革命。我們下一章會瞭解到，在超過 30 億年時間裡，海洋中漂浮的單細胞生物緩慢進化，最終獲得光合作用的能力，光合作用是指太陽光、水和二氧化碳轉化為氧氣和富含能量的碳水化合物。當光合作用發生時，這些活的有機體吸收大氣中大量二氧化碳，將它們轉變為氧氣，這樣，大氣的化學成分被慢慢改變。一開始，氧氣與鐵結合形成紅色的、帶有鐵銹的岩石帶；只有當大部分露天的鐵元素變成鐵銹之後，自由氧才開始在大氣中積累起來。
階段 4：今日大氣層。因此，光合作用造成了今日大氣層，它的構成為：氮氣 78%，氧氣 21%，氬氣、二氧化碳和其他氣體占 1%。這個令人驚奇的事例證明了活的有機體塑造地球表面的能力。沒有生命存在的行星的大氣完全不同，由於缺乏能夠不斷改變表面化學成分的光合作用過程，因此，它們僅僅受到物理和化學進程的塑造。火星大氣的密度只有地球的 1%，主要由二氧化碳和少量水蒸氣構成。木星大氣由淡雲區（氣體在那裡上升和冷卻）和烏雲區（氣體在那裡下降）交替主導。這就導致高速颶風和大暴風，比如 1974 年先驅者 11 號從 42000 千米高的太空觀測到的紅巨斑。自工業革命以來，尤其自 20 世紀後半期以來，地球大氣層不斷受到化學物質的攻擊，造成災難性全球變暖有出現的可能，本書結尾處會討論這個問題。人類對今天大氣層的影響，再次讓人想到生命如何塑造了我們的地球。
由此可見，在塑造物理地球的那些進程中，活的有機體顯然扮演了至關重要的角色，這意味著，地質進程和有機進程是密切聯繫在一起的。儘管我們意識到它們之間的這種聯繫，不過，本章內容主要關注地質進程以及少量有機進程，如生命有機體的沉積，這種沉積有助於創造對地球歷史非常重要的沉積岩層。