〔摘要〕近二十年来，地球是个动力体，是个受其内热驱动的发动机的说法，已为地球科学界所普遍接受。该动力论的主要地表显示是地球外壳的裂解碎片，以及后来这些碎片之间的大规模的水平运动。驱动力是地球内部的对流，但关于该对流的性质及地球的内部组成，则尚有许多问题亟待探讨和解决。其他类似地球的星球亦有曾是热球的迹象，但它们的表面表现出长期的稳定性，没有存在持续对流的证据。
地球——一台机器
对许多人来说，地球有着多种涵义，农民、探险家、勘探者、诗人和科学家都以不同的方式看待着它。它是理性生命已知的唯一居所，大概地球在人们心目中最重要的形象，虽则从物理和化学的观点看，或许它并不是一个十分独特的星球。无论如何，自然地球是生命赖以发展的基础，因此，了解它的物理和化学性质，不仅对于地质学家们，就是对于生物学家和其他的科学家们，也有着同样重要的意义。
过去，从纯物理学的观点出发，人们常随口把地球比作一台“热发动机”。现在，人们已经清楚，这种讲法不仅是一种比喻，而且是毫无夸张的事实。今天，地球科学领域的许多研究项目，都可以看作为了解该复杂的热机系统的运行方式而作的尝试和努力。此外，这种讲法还自然地引起了我们对可以通过研究其他星球而解决的地球上的许多问题的重视和思考。
这台发动机的运动部件是地球本身的物质：固态地壳和最外层地幔所组成的岩石圈；塑性较大的内部；流体大气层、海洋和外核。驱动发动机的能源以核能（热核太阳辐射能和地球内部长寿命同位素放射性衰变能）为主，辅以残余的重力能，后者是45亿年前地球形成时释放出来的。就量而言，输入地球的太阳能远远超出了地球内部发出的能，两者之比大约为1012兆瓦对107毫瓦。风和水的运动，以及许多表面地质作用均有赖于太阳的能量。然而，太阳能对加热地球的内部却作用甚微。即使在地球表面温度较低的情况下，黑体辐射所造成的热损耗也足够大体平衡太阳能的输入。至于对地球的内部作用，≈300 K的表面平衡温度只能充当一种较冷的表界条件。
较为微弱的内部能量的产生，对于地球内部的动力来说，意义要重大得多。热量锁闭在它所产生的岩石内，不断聚集着，直到温度上升到近于或高于熔点时止。在这些升高了的温度条件下，物质的粘度大大降低，从而允许与地球表面进行对流换热。必须承认，人类十分看重的地球，在被看作一台机器时，却是一台效力很低的机器。虽然地球内部放射性衰变引起的能量生成率堪与人类文明社会对能量的消耗率相比拟，伴随由此引起的巨大岩石圈板块的运动而产生的能量却比加热一杯茶所需要的能量还要少。尽管如此，这种经久不息的运动，在长达许多亿年的地球史上，已使大陆和洋盆发生了再分布，变化是这样巨大，以致今天人们已很难有把握对仅为地球年龄百分之几的年代（二亿年左右——译者）前的地球表面地理状况进行重建。
地质研究直到本世纪才有效地集中到了地球大陆的表面部分，亦即，为输入的太阳能诱发的各种作用控制的地区与地球的内部运动控制地区的交界部分。大量由此而生的各种现象的非线性交互作用，使得这两个地区的活动更加混乱不堪。如何解开这个死结，过去是，今后也仍将是对地球科学家技能的重要挑战。蕾如，仅在十一、二年前，认为表面作用是山脉建造的主要驱因，亦即，认为山脉建造是在墨西哥湾这样与大陆接壤的盆地中沉积物的表面沉积作用极其复杂的终极产物的看法，还是大有市场，颇受敬重的。更近期的例子是下述事实，即迄今我们仍不能很有把握地把大陆火成岩地幔源的地球化学痕迹与大陆火成岩与更近表环境相互作用而添加其上的地球化学痕迹区别开来。
板块构造革命
地球科学在近二十年里发生了一场革命。令人信服的、无可非议的论据，使这场革命从少数人的见解演变发展为多数人的观点。过去，人们注重的是力和垂直运动，以为是它们造就了地球的地形和表面构造；但今天看来，它们似乎只是地球外壳巨大碎块大规模水平运动不甚重要的副产品而已。这些巨大碎块或曰板块作相对运动时，在它们相互撞击之处，山系骤现；在它们彼此拉离之处，裂谷张开；在它们相对滑动之处，则出现了加利福尼亚圣安德烈斯断层那样的大型平移断层（图1）。
大陆作相对运动这一基本概念并非新的见解，新鲜之处是使得这一概念得到普遍承认的新的证据。很多这些证据来自地磁学的研究。人们早就知道，地球的磁场，与其说源自一个永久磁体，不如说具有一个活动性磁源，它的强度和位置都是不断变化着的。地震学研究告诉我们，地球的核部形似液体，且主要是由金属铁——一种导体组成的，故最合乎逻辑的磁源应该是地球之核。在现在弱磁场的这类传导性介质中的液体运动能够增强磁场，从而造成一种可察磁场。虽然该运动的对称性规定了磁场必定大致沿着旋转轴而排列取向，但磁场的极性却不在此规定之列。没有令人信服的理由能够说明它只能处在目前的方位上，而不能处在相反的方位上。
六十年代初叶，对岩石中保存的磁场极性的精确测定，以及测定岩石磁化年代的新方法的采用表明，磁场每隔十万年或百万年倒转一次。对不同大陆岩石反向次数的测定表明，这些反向是全球范围同时发生的一种现象。人们据此为地球上的岩石建立了地磁反向时间表。借此，人们发现，垂直于大洋中脊系统的轴部所测得的海上磁场变化的空间模式与反向层系的时间模式完全相同。人们由此得出结论：海底是一台巨大的磁带录音机，新地壳按其形成之时磁场的极性而发生着磁化。然后，该地壳同最外层的固态地幔一起，以每年几厘米的速度自中脊轴部漂移开去。这个结论与观察所及是完全吻合的，当代洋盆中大多数的地震和火山活动都与中脊轴部有关，新地壳也正从这里源源不断涌现出来。
近十年里，深海钻探计划及其继续——大洋钻探国际协作阶段，在弄清洋壳的历史和特点，海底沉积的性质和分布，以及板块构造模型对沉积学、气象学和海洋学的影响和意义上获得了举世瞩目的惊人成功。这些努力的最早贡献之一，便是根据磁性资料证实了下述推断：洋壳的年龄随与中脊轴部距离的加大而加大。
地球既要容纳由洋脊源源不断喷涌出来的新物质，又要不发生膨胀，就必须把较老的岩石圈逐步吞噬消灭掉。这个过程发生在地球另一条环绕着太平洋，并从印度尼西亚穿过喜马拉雅山，直达阿尔卑斯山的大地震火山带上。在这条地震火山带上，地震的深度逾700公里，而地震学证据表明，在这些地区，洋壳和岩石圈正是在接近或大于700公里的深度上俯冲消亡的。这些地区板块运动的速率较难确定，但假如约为每年几厘米的话，则较老的物质就正好可以以与洋脊轴部新物质的生成率相和谐的速率消亡殆尽。
板块构造模型十分有效地解释了覆盖着地球表面70%左右面积的洋壳的历史、性质，甚至总的地形。该薄洋壳（厚仅5公里左右）包覆在固态大洋岩石圈的外面，后者又包覆在塑性较大的，部分熔融的软流圈的外面。海底地形可以用一种较简单的热模式来解释，这种模式与岩石圈厚度的地震学资料，及海底的热流资料是相吻合的。在洋壳和岩石圈由中轴向两外侧漂移的同时岩石圈逐渐冷却，这种冷却作用使软流圈逐渐转变成为岩石圈。而由此引起的地壳和上地幔层的加厚和变稠，又使得该层的高度在洋壳的年龄随与洋脊距离的加大而变老的同时逐渐降低。起初，该加厚过程进展很快，地壳和上地幔层逐渐接近于约为85公里的岩石圈厚度。由此可见，洋脊并非是叠置在洋盆上的诸多断块，而是大洋中高度最为令人注目又最为年轻的部分。
对大洋地形的这种新解释，亦可推及大陆。它暗示人们，毗邻于洋脊的高耸的海底的面积可能是洋壳生成率的函数。由于该生成率不是恒定的，人们可以预测到，在洋壳快速生长期，海水将受到排斥并淹没陆地，大陆将沦为由浅海包围的诸多岛屿。但在洋壳缓慢生长期，海水将由陆区撤退，岛屿又复原为大陆。这种讲法可以解释大陆上最后一次的大洪水，这次洪水发生在八千万——一亿年前，据信，这正是新洋壳快速生成的一段时期。
洋壳和陆壳的形成
实验室研究表明，洋脊玄武岩的矿物学和化学组分惊人地一致，即使在全球规模上也同样如此。据此，人们推测它们系来自同一个部分熔融的下伏软流圈地幔源。痕量元素的化学性质及同位素的组成表明，洋脊玄武岩的地幔源并非是全球特有的，它在“大离子亲石元素”、钾、铷、锶、银、铀、钍以及稀土元素上的消耗十分严重。发生这种消耗的时间似乎至少已达十七亿年，或者还要长得多，相比之下，当今洋盆仅为二亿年的年龄就显得微不足道了。相反，取自亚速尔群岛和萨摩亚群岛等大洋岛屿的玄武岩，则不可能是完全来自这个来源的。迹象表明，它们的来源质地较不均匀，而且，在组成玄武岩的大离子元素上的消耗也比较为丰富的洋脊玄武岩的来源为少。目前，人们对两者何以存在这些差别的原因尚不理解。较为普遍的看法是，洋岛玄武岩的来源位于地幔的更深部，部分熔融的物质是从那里，经由地幔柱或地幔凸，穿过洋脊玄武岩混合良好的地幔源而再上升到地表的。
大洋区是十分年轻的，只有二亿年，亦即地球史上最后5%的年代的历史。故此，大洋区的热演化是尚未成熟的，由于影响它的构造事件和作用为数有限，塑造它的模式相对也就较为简单。大陆区由于平均密度较低，浮力也就较大。载有陆壳的岩石圈板块与纯大洋岩石圈板块碰撞之时，向下俯冲消亡或曰潜默的总是较为稠密的大洋岩石圈板块。正因如此，大陆能安然度过地球史漫长岁月的大部分时光而存活于今，洋盆却只能昙花一现似地弥留片刻。
显然，大陆要复杂得多。它们保存有地球史上最初95%年代里的各种遗物和遗迹。大多数大陆区已受到过多次构造事件的影响，大陆的表面不断经受着太阳能的注入所诱发的风化作用和侵蚀作用。这些表面地质作用有着低温化学效应，它们在强度上堪与伴随洋底玄武岩形成的化学分异作用相比，但在性质上却更为复杂，很难确定陆壳的富花岗岩性在多大程度上是直接由地幔物质的导入决定的，又在多大程度上是表面化学作用卷入的结果。所谓表面化学作用，即与沉积物和更深部地壳岩石的沉积作用、变形作用和再熔化作用所伴生的那些形成花岗岩的作用。尽管有着这多复杂性，如果我们想了解晚近期前的板块构造，我们就必须去研究这些大陆岩石。古大洋已不复存在了，要了解古地球，我们就必须去译解和研究复杂的大陆地质记录。这种记录不但复杂，而且很不完整。很多大陆构造史只能到相对未受搅动的沉积物中去寻觅。
人们已在大陆上打了很多钻孔，但大多数这些钻孔不是太浅，就是打在沉积盆地里，目的在于寻找碳氢化合物。近年来，为各种不同目的服务的钻进项目开始出现，从而，人们不但可以利用资源钻孔，还可以利用纯粹服务于科学目的的钻孔，来改变人类对早期陆壳岩石的分布、特点及历史的无知状况。倘在钻孔以前和钻孔期间能给地球物理和地质以充分的研究的话，则这些钻孔的科学价值还能提高，钻孔的成本也还能降低。譬如，由深部地震反射研究我们得知，我们根据表层地质在铅垂方向上推导出来的情况与实际状况往往是大有出入的。
“均变说”——地质学上一个基本的但只是部分正确的学说——认为，“现在是认识过去的钥匙”。至少，这可以作为我们认识形成大陆的各种作用的尝试的起点。借助类推，通过研究板块碰撞的产物——年轻的山脉和岛弧，我们可以观察到正活跃于现代板块汇聚带的各种作用。
在这些地区，较稠密物质的部分熔融正源源不断地产生着火山岩，这些物质的化学组分更类似于地球主体的，而不是洋脊玄武岩的。这里火山岩的密度比大洋中脊的要低，或许正是这些火山岩使大陆获得了较大的浮力，从而在漫长的地质史上得以存活于今。因此，从某种意义上讲，似乎可以把这些邻接大陆的岛弧（如阿留申群岛）和年轻的火山山链（如安第斯山脉）看作若干“大陆工厂”，新的浮性大陆物质正在较为稠密的地幔岩石的化学加工作用下源源产出。认为部分熔融的大陆物质源只不过是毗邻的大洋岩石圈的下行板块，似乎也是言之有理的。然而，对火山岩痕量元素和同位素组分的地球化学调查却并不支持这种简单的解释。大量测定揭示出，大陆岩石源区并不简单地就是洋脊玄武岩源区所特有的消耗型地幔。化学组分表明它们系导出于尚未经受过正活跃于现代洋脊的各种作用影响的地幔区。此外，它们还表现出有更接近地表的来源的证据，例如，熔岩在上升过程中对较老陆壳的同化和吸收现象，俯冲沉积物中再循环的地壳物质对较老陆壳的污染现象等。弄清这些大洋物质与大陆物质相互作用地区的物理作用和化学作用，是我们在认识地球的过程中首先面临的一个并非一朝半夕就能解决的难题，在今后的十年中，它将继续是研究的焦点所在。
在现代板块构造学说问世之前，人们研究的重点在约35公里厚的大陆地壳及其与下伏地幔的边界——莫霍洛维奇契不连续面上。在板块构造革命的初期，有低估大陆基本意义的倾向，以为它们只不过是依附于真正重要的岩石圈板块的较薄的表面“浮渣”而已。这种看法现在正在扭转。尽管我们对大陆岩石圈的了解还远远不敷所需，但看来洋陆之间差别的意义要比我们以前认识到的深远得多。陆壳下伏板块相互之间的运动似乎更为缓慢，而且，至少在某些地区，它们要比它们的大洋对应物厚得多（200 ~ 400公里）。从地球化学的观点看，有证据表明大陆地幔源相对于地球主体的分异程度要比洋脊玄武岩地幔源的小得多。
地球的内部
岩石圈板块，无论是嵌有大陆的还是纯海洋性的，它们的水平运动及后者在板块边界的俯冲和消亡，都是地球内热发动机最外观从而也是最明显的表现。但事情还不仅止于此，因为，为了使物质保持守恒，必定还有一个位居更深部的反向流存在，借此物质才得以重返位于洋脊的扩张中心。该反向流的性质目前尚模糊不清。从某种意义上讲，海底扩张、下行的俯冲板块和反向流必定都是一个对流体系的一部分。和其他对流体系一样，驱动力是差异浮力或曰浮力差，地球的内热则是赋予对流动力的能源。差异浮力来自普通的热扩散，以及伴随固态与液态'，甚至固态与固态的相变而发生的密度差。然而，想在这种简略概括的基础上迈进一步，业经证实是十分困难的。迄今，人类对反向流所知甚少。但至少有部分反向流必定延伸到了逾700公里的深度上，因为深源地震表明，下行板块至少穿透到了该深度上。应力平衡动力学研究表明，主要的反向流不可能局限在直接位于岩石圈下的软弱的软流圈里。无论是岩石圈还是软流圈，至少它们的大部分都属于该对流体系相同的最上部分。
虽然从广义上讲十分清楚，地球的板块构造运动系代表着一个对流体系，但该对流体系在很多方面与我们在实验室里研究的，以传统的经典方法处理的，或在大气层中观察到的是迥然不同的。其一，不能把这种对流运动描述为对称对流单元的稳态运动。迄今所观察到的海底扩张的特殊模式，其年龄不可能大于现今洋盆的年龄，大约为二亿年。这是一块板块以每年五厘米的典型的扩张速度漂移一万公里，亦即1/4地球周长所需要的时间。如此，如果我们把这种运动看作一个对流单元的话，那它就还未获得足够的时间来完成一个周期的运动。此外，即使反向流一直延伸到了地球的下地幔，地球对流单元水平与垂直距离的比，也明显地大于实验室所研究的等大小流的水平与垂直距离的比。
存在这些差别的原因，部分可能是该对流系统的各部分在压力、密度、温度和粘度上存在着巨大的差异。要充分了解地球内热发动机的动力学，我们就必须把最近三十年里了解到的有关地球深部化学和矿物学的全部知识统统综合在一起。
地震学家早就知道不能用均质硅酸盐地幔和地核来简单地解释地球的内部构造。业经证实，对400 ~ 1000公里这段深度上相当大的一部分地幔来说，纯粹以化学上和矿物学上皆系均质的物质的压缩作用来解释目前观察到的弹性波的波速，是行不通的。即便给压力和温度效应留出适当的允差，在地震波的速度和根据地震波的速度推测出来的该深度上地幔物质的密度上仍可发现异常的增大。人们曾假定，这些效应是由固态相变引起的，由于这种相变，我们所熟悉的地壳硅酸盐矿物类型在这些深度上的成千上万个大气压力的作用下，转变成了稠密的，从而在热力学上也就更加稳定的矿物。一系列成功的实验室和理论性研究已经确定了这些相变最可能具有的矿物学性质，以及它们与地震学工作所发现的密度和速度“不连续面”的关系。在地幔的较浅部位，这些矿物由地表矿物学中常见的但排列更为紧密的组合体——为四周的镁、铁、钠和钙的阳离子所中和的SiO44-和AlO45-的四面体——组成。在更大的压力下，矿物因四面体遭到破坏而获得了较大的密度，同时，硅酸盐出现在排列更为致密的构造中，每个硅离子为六个氧的阴离子所包围。
高压矿物学的这些研究成果与板块构造的对流运动之间的关系目前尚未被人们所很好理解。按照常规，矿物学变化应发生在相当稳定的层状地幔里，而板块构造却要求有不规则的动态地幔。我们必须把这一切有机地统一起来，以求取得对唯一符合实际的真实地球的认识，在这个地球上，相变既是对流伴生的热剖面的导因，又是它的结果。
地球的历史
显然，在人类能对地球的内部作充分的描述前，还有大量的问题有待研究和解决。况且，描述今天的地球还只不过是地球科学家们承担的全部重任的一部分而已。他们还必须去探索地球的起源，追溯它的历史，亦即，去了解地球过去的物理、化学及动力状况与今天是相同的还是不同的，又相同或不同到何种程度。为了明智地处理人类环境如气候变化、地震和海平面升降等问题，地球科学家们甚至还有必要去探索和预测地球的未来。
若干世纪以来，地质学家们一直不厌其烦地修改和补充着地球表面岩层的分布图。根据沉积岩中保存的灭绝有机体化石制定的地质年代表，使得人们得以在世界范围内对地质史上六亿年来的地质事件进行对比。更近，利用铀、铷、钍、钾和钐的天然放射性同位素测定常见岩石年代的方法，又使我们得以把这张表的时间范围远推到了地球45亿年历史的大部分年代上。在板块构造学说登台表演、显示威力之前，这些年代测定法帮助我们勾画出了古山脉区的轮廓，圈定出了火山区的位置，区别开了过去大陆的稳定区和活动区。尽管如此，人们却感到缺少一个合用的理论基础。譬如，在从加拿大东部，穿过美国东部，南至德克萨斯州追踪一条十一亿岁高龄的山脉带时，人们除了相信它要么终止于那里，要么继续向西南方延伸的朴素推断外，就再无其他根据可言。人们可以指望我们对今日地球动力作用的新理解会导致对这类问题的解决，然而，这并非是轻易之举，需要时间。这些动力作用最清楚的显示来自洋盆，但古洋盆却几乎已为同样的动力作用消耗殆尽了。人们只是极偶尔地才能找到一些古洋壳碎片，多数也是残缺不全、模糊不清的。古大陆断裂及大陆与大陆碰撞的证据较为常见，但即使在这些问题上，解释也往往存在争议。同样难以断定的是，根据现今观察到的构造推算极早期的地质年代，推算到何种程度才算合理。自然，支配对流和矿物稳性的基本物理和化学法则总是有效的。但在我们确切了解这些法则是如何以今天板块的大小、数目、厚度和速度来表现自己，又为何以这些数值表现自己以前，我们是无法确知今昔的这些板块原是相似到何种程度的。很久很久以前，地球必定另是一番样子。在地球形成伊始，其内部放射性活动产生的热量约为今天的三倍。放射性活动热源的衰变以及表面冷却作用导致的热损必定造成了大量的热析出。地壳分异的程度，大气层的组分以及洋陆的大小或许都随时间发生着变异，但变异的量值迄今还是摆在人类面前的一个难题。
月亮、行星和地球的起源
当前，人们十分注意根据现有观察回推过去年代的问题，已经取得了相当进展，并且可望取得更大的进展。然而，人们果真能从地质、地球物理和地球化学的观察结果来推断直至地球形成初期的这整个过程中的地球状况和历史吗？
在回答这个问题上持悲观主义的态度是无可非议的。好在答案并非完全取决于推断。从相反的方向上人们也可指望获得一些帮助。这便是我们处在行星探索的“黄金时代”的一个优越之处。在过去十年里，对一路向外直至土星的太阳系的研究已经从观察天文学的分支跨入了摄影地质学的领域。在其他问题上，这些行星研究至少相当有希望帮助人们弄清什么可能是地球和其他行星历史上最初的边界条件。
地球上保存下来的年龄逾二十八亿年的岩石不多，发现于西格陵兰的经测定年代为最老的地球岩石是三十八亿岁。在地球其他一些与世隔绝的地区也发现过类似的岩石，但年龄稍轻一些。为什么找不到更古老的岩石？在目前的月球和行星探索时代开始之前，对这类问题很难作出令人满意的回答。看来很可能地球是在极低的温度下形成的，而我们今天发现的最古老的岩石则只不过是地球最初的岩浆活动和沉积作用的遗迹而已，这种岩浆活动和沉积作用的发生可能比地球的形成晚了若干亿年。另一种说法是，地球在形成的伊始可能完全是熔融状态的，在其后的若干亿年里也一直过于炽热，故难以保存下早于已知最老岩石年龄的任何时间烙印。当然，还可以想象出其他各种解释。
在阿波罗和罗那登月计划中取自月球的岩石，使人类对太阳系最初七亿年中的一个行星体的火成烙印窥见了一瞥，这是人类迄今所能得到的最奸的一瞥。与地球上不同，月球黑暗的海区有着大量年龄在三十三至三十八亿年的火山岩。年龄更为古老，通常在三十九至四十亿年的岩石和岩石碎屑则分布在月球较明亮的高地区。还可以找到带有从岩石最后一次广泛受热和熔化，到四十二亿年左右这段时间的烙印的岩石碎屑。甚至有少许更古老的岩屑，其年龄接近地球和月球本身的年龄。据解释，这些极其古老的岩石表明月球早在四十四或四十五亿年前就经历过极其广泛的深部火成分馏作用。尽管对这些事件的细节看法尚有争议，知道即便像月球这样小的行星在其极早期也可能是十分炽热的却是十分重要的。对四十五亿年高龄的玄武质陨石的年代测定支持着上述结论，这些陨石很可能来自于一个更小的星状父母行星。虽然关于月球和类地行星的形成还有其他种种说法，但几乎所有这些貌似可行的理论都有一个共同点，即它们都认为，如果月球在其早期曾是炽热的，则地球就必定更加炽热过。地球在其早期必定是火山活动频繁，蒸汽和二氧化碳为主的挥发性化合物到处析出，普遍存在。
通过行星探索，我们还了解到行星和早期太阳系最初状态的其他许多重要情况，遗憾的是目前我们对这些情况还不能理解。譬如，研究金星的第一艘宇宙飞船表明，地球的该姊妹行星的大气层主要由二氧化碳组成，该大气层的总质量极大，从而使得金星的表面大气压力约为地球上的一百倍之大。该厚重的二氧化碳大气层造成了一种“温室效应”，允许短波长的入射太阳辐射通过，而不允许金星反向向宇宙发出的长波长红外辐射通过。该效应使得金星因进出辐射平衡而保持的稳态表面温度比地球上的高，地球上是20°C，它却达450°C左右。处在金星那样较高的温度下，地球也会具有一层主要由来自碳酸盐岩的水和二氧化碳组成的厚重的大气层，该大气层对红外辐射的吸收也会造成类似的温室效应，从而使地球表面保持高温。
如此看来，具地球和金星般大小和组分的行星可以以两种模式中的任一种而存在。一是它们的表面温度和大气压力像地球上那样低，大多数挥发性气体呈固态或液态而存在。然而，如果略为不同的初始条件能使行星的表面稍为炽热一些，则大量的挥发性物质就会蒸发，结果造成的温室效应又会更甚地加热星表，导致进一步的蒸发，使行星的大气层演变为金星般的大气层。因此，人们甚至可以认为，地球和金星的大气层并没有什么实质性的区别存在。金星上缺水可能是水为太阳的紫外线辐射裂解后氢的大量逸失造成的，这是金星大气层特具的热构造模式的结果。
然而，“维内拉”和“先驱者”号金星探测器更近期的测定却揭示出地球和金星这两个大小相近的星球的大气层存在着一种更为实质性的也更惊人的差别。除了极易向宇宙逸散的氦之外，金星所有的全套挥发性惰性气体是地球的一百倍，地球大气层中氩的含量较为丰富的唯一原因是它的一种同位素（40Ar）是由钾的一种同位素的放射性衰变形成的。但如果上述金星探测器的测定是正确的话，则金星就必定有一个并非来自钾的普通氩，以及氖，或许还有氪和氙的丰富得多的供给源。温室效应是不可能造成这种差别的，因为惰性气体不同于二氧化碳和水，它们在地球表面温度下不会发生冷凝。几乎可以断定，金星上惰性气体这种超量存在的情况是自金星形成之日就有的，但现有的行星形成理论却无法对何以金星能接受而地球则不能接受这些气体作出简单明了的解释。人们已经提出了几种可能，但初看上去它们都像是专为解决这一问题而挖空心思编造出来的。当然，如果最后证实，这些非常像是生造的解释倒果真是唯一可能的出路的话，新近的这些观察结果就会给行星的形成方式以十分严格的限制。
火星上挥发性元素的历史也是个难解的谜。火星上总的大气压十分低微，还不到地球的1%。同金星上一样，它的大气层主要由二氧化碳组成，还含有少量水蒸气。但由“水手”和“海盗”号宇宙飞船所摄的火星表面的照片却表明，火星表面似曾受过流水的冲蚀，可能这与灾变性洪水有关。目前火星的大气压力和温度都太低，液态水不可能在其表面存在，火星水必定几乎全部储存在它的永久极帽和永久冻土的底冰里。火星温度是否曾经高过，以致造成了压力较大的富水大气层，从而使流水得以在火星表面存在过呢？人们对火星轨道及火星旋转轴在火星轨道随时间而变化的过程中的取向方式进行了天体力学研究，发现火星的表面温度在若干百万年的时间尺度上变化是相当高的。但尽管如此，人们还是很难定量地弄清该温度变化效应怎样才能强到足以允许液态水造成今天所观察到的那种冲蚀现象。或许这些冲蚀形迹是粘度极低，可以产生类似于流水的效应的熔岩造成的。抑或许解开这个谜还需要在定性方面再下一番苦功，以求获得更深的理解和更新的启示。
火星大气层含有极少量由钾的放射性衰变而形成的氩。虽然火星所含的钾可能比地球的少得多，却没有充分的理由能使人们相信这点。事实上，普遍的看法是，火星离太阳较远，故较为挥发性的元素钾的含量应该更高一些，这种元素，相对它在太阳系的平均丰度而言，在地球上已消耗减少到原量的1/10。更为可能的一种解释是，火星上的大部分氩仍然锁闭在火星的内部，由于初始温度较低，火星热发动机的运行要比地球上的慢得多。
划时代的宇宙探索的另一个重要发现是，人们从未在月球上找到过像火星表面阴暗海区里的玄武岩那样的新鲜的大块凝结岩块。人们发现它们总是以自然接合在一些的碎块而出现在复杂的角烁岩里。它们的同位素化学和外表表明，它们是月球外物体猛烈轰击的最终产物，正是这些轰击使得月球的高地区布上了累累的环形穴。放射性年代测定表明，这种猛烈而沉重的轰击约在三十九亿年前突然停止了。小于此年龄的火星表面环形穴相对稀疏一些，岩石本身也未曾受到超高速撞击带来的冲击力的变形。
地球是无法回避这种类似的环形穴形成史的。所以，对月球的研究同时也就指出，地球上原生岩石的缺失有着两个方面的原因：极其广泛的岩浆和地质活动，是地球内部的原因；对所有原生表面极其广泛的撞击变形作用，则是来自地球外部的原因。动力学研究表明，如果撞击体是以太阳，而不是以地心轨道为中心的，则所有的类地球行星势必都已经历过类似的撞击史。
事实上，在宇宙飞船拍摄的水星和火星的照片上，最显著的特点正是由这场远古的撞击留下的环形穴形迹。撞击率在距今三十九亿年时的突然减少，可能在整个内太阳系里构成了一种“标志层”，把三十九亿年前后的时件区别了开来。
这些照片，及对金星的雷达研究表明，所有这些行星上都有火山，因此也就都有内热发动机。这些星球自那时起的内部火山活动的强度各不相同。人们必须作极大努力，去弄清其他星球的热机是如何运行的，以及它们之间的差别在多大程度上是由星球的质量、化学组分、与太阳的距离及初始边界条件的不同所引起的。显然，我们的板块构造世界并非是可能存在的唯一世界。月球、火星和水星都没有存在这种板块运动的迹象。
“先驱者维内斯”号获得的初步雷达资料表明，金星上也不存在板块构造。两艘迫近天体进行探测的“宇航者”号飞船所摄照片则指出，在木星的大伽利略卫星上可能存在着全然不同的构造格局。其中尤为引人注目的是在最里面的大卫星——Io上的激烈而又富硫的火山活动，它们可能是由邻近的巨大行星所输入的潮汐能诱发驱动的。
对陨星的研究也为认识太阳系早期的历史条件提供了重要线索。其中如Allenda陨星及含碳的球粒状陨石这类不平衡体尤为重要，它们保存有早期太阳系不均匀性的烙印，甚至可为人类窥探前太阳系历史提供一瞥。
前不久，从事实际工作的地质学家认为关于地球和太阳系之形成的讨论与他们的工作无关的看法还颇为流行。这种把两者截然分隔开来的看法，使得从事理论研究的科学家们一度任思想就这些问题自由地，甚至不负责任地驰骋。现在，这种时代已经一去不复返了。地球和行星科学，以及恒星，甚至银河系天文学的统一性和依存性已十分清楚明白。在今后十年里人们所面临的最大难题或许就是如何在保留严格的内部专业科目（这是多少代科学家艰苦摸索的心血结晶）的同时，把这些科学有机地统一起来，使之成为一个不可分割的整体。
〔Science0年7月4日〕