Разогрев Протоземли способствовал дифференциации ее вещества: во внутренние части постепенно опускались тяжелые вещества, а на периферии скапливались сравнительно легкие. Эти процессы привели к разделению земных недр на ядро и мантию. Мантия Земли действует как гравитационный сепаратор, который доставляет к границе внешнее ядро — мантия свежее вещество. Тяжелые соединения железа остаются, а легкие возвращаются в верхние слои.
Сепарация вещества в недрах Земли протекала довольно медленно, и мантийное вещество множество раз совершало кругооборот. Некоторые исследователи связывают полный круг обращения мантийного вещества с длительностью глобальных геологических процессов, в частности вулканической активностью, горообразованием, трансгрессией (наступление) моря.
Долгое время после своего рождения Земля оставалась безжизненной и неуютной планетой. Только космический холод и солнечный ветер господствовали на поверхности планеты. Твердая оболочка на ее поверхности была тонкой и хрупкой, потоки раскаленного материала из глубин Земли быстро достигали ее поверхности и растекались на огромные расстояния.
Атмосферы еще не существовало и это делало земную поверхность очень уязвимой для обстрела из космоса метеоритами и космической пылью. Над планетой поднимались тучи пепла и газов, поступающих из недр во время грандиозных извержений. К земной поверхности медленно двигался свободный кислород, освобождаемый в процессе дифференциации вещества. Кислород впервые появился на границе ядра и мантии, т. е. там, где происходили сепарация и переработка вещества. Увлекаемый конвективными потоками кислород постепенно уходил вверх, и долгое время весь он расходовался на окисление железа и его соединений.
Рождение атмосферы и гидросферы
Атмосфера возникла в начальные периоды формирования земной коры. Существуют две гипотезы ее образования. В первой атмосфера рассматривается как производная первичного материала, оставшегося от упрощенных флюидов, которые когда-то обрамляли расплавленную Землю. По второй гипотезе, атмосфера рассматривается как вторичное образование, возникшее при освобождении свободных химических элементов и соединений из лавы, извергавшейся на земную поверхность. Благодаря этой лаве была создана первичная земная кора. Большинство ученых придерживаются второй гипотезы происхождения атмосферы, считая, что в противном случае любая первичная атмосфера на ранней стадии развития Земли была бы сравнительно быстро ей утеряна.
Таким образом, условно можно считать, что источником веществ, составляющих первичную атмосферу, служили продукты выплавления горных пород земной коры, мантии и ядра. Считается что она была бескислородной. Крупнейший американский геохимик Г. Юри высказал мнение, что атмосфера могла состоять из смеси водяного пара, водорода, метана, аммиака и сернистого водорода. Английский геохимик П. Клауд считает, что в ранней атмосфере преобладали вода, углекислый газ, окись углерода, азот, хлористый водород, водород и сера. Следовательно, атмосфера состояла только из летучих и легких газообразных веществ, которые в момент формирования Земли входили в состав твердых веществ. Свободной воды не существовало, она была связана в гидроокислах, азот — в нитридах и, возможно, нитритах, кислород — в окислах металлов, углерод — в карбидах и карбонатидах и.т.д.
Увеличение мощности атмосферы и возникновение гидросферы объясняется освобождением из пород верхней мантии при интенсивных вулканических процессах водяного пара и газов. Действительно, газы, выделяющиеся при извержении современных вулканов, содержат большое количество водяного пара. Например, при извержении вулканов гавайского типа (вулканы гавайского типа характеризуются излиянием базальтовой подвижной магмы, бедной газам; застывание происходит медленно) в газах при температуре 1000–1200 °C содержится около 80 % воды и не менее 6 % углекислого газа. Встречается также значительное количество хлора (40 %), метана (до 3–5 %) и аммиак. Из лав при высокой температуре, кроме водяного пара, выделяются такие соединения, как борная, соляная и фтористая кислоты, сероводород и др.
Основываясь на химическом анализе газовых пузырьков в кварцитах катархейского и архейского возраста, советский литолог Ю. П. Казанский попытался определить состав древней атмосферы. По его мнению, в архее и катархее атмосфера имела азотно-аммиачно-углекислый состав. В ней кроме преобладающего углекислого газа (до 60 %) находились азот, сероводород, аммиак, серный газ, пары соляной и фтористой кислот. Первичная атмосфера была довольно разреженной, ее температура у земной поверхности мало отличалась от температуры так называемого лучистого равновесия (температура лучистого равновесия определяется отношением величины потока солнечного тепла, поглощенного поверхностью, к величине потока уходящего (отраженного) излучения земной поверхности. Последняя пропорциональна четвертой степени температуры этой поверхности). Сравнительно низкая температура способствовала конденсации водяного пара из вулканических газов. Таким образом водяной пар превращался в жидкость, которая, заняв пониженные участки, дала начало формированию гидросферы.