北京大学-地史学第五章-前寒武纪

第五章前寒武纪（Pre-Cambrian）“前寒武纪”---寒武纪之前的地质时期的总称，不属于正式的地质年代单位。§5.1前寒武纪概述1前寒武纪的划分显生宙和隐生宙太古代和元古代绝对年龄揭示了前寒武纪有长达32亿年的地质历史前寒武纪的划分宙代距今年龄（Ma）元古宙Proterozoic新元古代NeoproterozoicEra5421000中元古代MesoproterozoicEra1600古元古代PaleoproterozoicEra2500太古宙Archean新太古代Ar42800中太古代Ar33200古太古代Ar23600始太古代Ar140002前寒武纪的生物界1、前寒武纪生物界的一般面貌菌、藻类是前寒武纪时期最常见和最主要的生物类群。常见宏观化石是叠层石（stromatolite）----一种生物成因的生物-沉积构造。生物界面貌主要由微生物生态系统占主导地位，晚期有后生生物的出现。目前已知的最古老化石记录可能至少可以追溯到35亿年前。在前寒武纪漫长的历史中，生物界的发展经历和完成了几次重要的演化事件。2前寒武纪的生物演化事件和化石记录1)原核细胞生物的出现和微生物生态系统的建立：最早的化石记录表明原核生物在35亿年前就已存在于地球之上，但是它们何时开始出现还不清楚。微生物生态系统在太古宙时期已经建立。澳大利亚Pilbara地盾Warrawoona群（35亿年）:碳酸盐岩中的叠层石和黑色燧石中的丝状-链状微体化石(细胞)----?蓝菌类南非FigTree群（31亿年）：棒状细菌类化石：Eobacteriumisolatum球形蓝菌类化石：Archaeosphaeroidesbarbertonensis2）光合作用的出现：叠层石：蓝菌和其它微生物生命活动的产物，一般被视为光合作用和光合微生物存在的可靠证据。35亿年前?有机碳：沉积岩中的有机碳几乎都是生物成因的。显生宙沉积岩的平均值0.5%，格陵兰Isua最古老岩石（38亿年）0.6%稳定碳同位素组成（δ13C）：生物将无机碳转化为有机碳时发生同位素“分馏”作用。澳大利亚Bulawayan群（28亿年）复杂有机化合物分子：---叶绿素分解破坏产物。南非FigTree群（30亿年）太古宙后期-古元古代，原核细胞生物迅速发展和种类分异，真核细胞生物化石最早见于中元古代的地层中。加拿大Gunflint组（19.5~20亿年）：菌藻类16属。30m确凿的最早真核细胞生物化石见于美国BeckSprings组(13~14亿年）和澳大利亚的BitterSpring组(9~10亿年)。疑源类：一种具有“坚硬”外壁的球形单细胞微体化石3）细胞的结构分异---真核细胞的出现：光合作用可能在35年前（?）就已出现，至少在24亿年前（可靠的蓝菌化石）就已开始起作用。光合作用的出现启动了生物对大气圈的改造过程，使自由氧不断富集，逐渐形成了我们今天的富氧大气。4）多细胞化和组织分异：多细胞化是组织分化和器官形成的必要条件；组织分化和器官的形成则使生物的结构功能复杂化，遗传调控机制的复杂化。多细胞化是真核细胞出现后生物组织水平的又一次大提高，它为地球上一切高级生命产生和发展奠定了基础。多细胞化在古元古代的原核生物中就已开始，但只能发展到细胞的简单分化---细胞集群。真核生物的多细胞化最终导致组织分化和器官的形成。在新元古代已有比较多的宏观藻类印膜化石发现。但有组织分化的确凿化石记录发现于6亿年前---我国贵州震旦系的翁安生物群。前寒武纪时期最常见的一种生物成因的生物-沉积构造----叠层石（stromatolite）。属于广义的遗迹化石范畴。形成叠层石的主要生物是蓝绿藻。澳大利亚海边的现代叠层石(左)和澳大利亚发现的最老的叠层石(右)(fromAllwoodetal.,2006)澳大利亚ApexChert中发现的类似现代蓝菌的丝状细胞结构，曾被视为可靠的最古老细胞化石和释氧光合作用证据(Schopf,1993)，但最新的研究表明它们可能不是生物成因(Marshalletal.,2011)。最早的化石记录~35亿年前的“叠层石”和“蓝菌”化石南非FigTree群中的棒状细菌化石Eobacteriumisolatum南非FigTree群中的球形蓝菌类化石：Archaeosphaeroidesbarbertonensis加拿大Gunflint组中的菌、藻类化石疑源类：一种具有“坚硬”外壁的球形单细胞微体化石。可能是一种浮游的藻类。与现代海洋中的沟边藻类（右）十分相似。直径20—120m疑源类化石最早见于16亿年的地层中，但在9亿年以前地层中一直比较少见。属于微古植物的范畴多细胞化古元古代原核生物的细胞集群可疑的中元古代后生植物化石记录GaoyuzhuangFm,N.ChinaMesoproterozoicBeltSupergroup,Montana•Macroscopic,coiledribbons(e.g.,Grypaniaspiralis)from1.9GarocksinUSAand1.4GarocksinChinaandMontanahavebeeninterpretedasmulticellulareukaryotes(HanandRunnegar,1992;Walteretal.,1990);可靠的中元古代后生植物化石记录•多细胞、宏观植物12亿年(中元古代，加拿大萨摩赛特岛燧石中的红毛藻)(Butterfieldetal.,2000)多细胞化--宏观藻类多细胞化--多细胞集群多细胞化--组织分化.5）后生动物（metazoans）的出现：艾迪卡拉动物群（EdiacaranFauna）5.7亿年。艾迪卡拉动物群中的化石是一些形似水母、蠕虫状的不具硬壳的动物软体印模。类似的、大体同时期的软体印模化石后来在世界其它地方也有发现。艾迪卡拉动物群代表了前寒武纪最后一次大的生物辐射演化。科学家依据分子钟，认为原口和后口动物的分异可能早在10~13亿年前就发生了。也有人根据基因分析推断后生动物的门类分异发生在6.7亿年前。贵州翁安动物群胚胎化石的发现，表明后生动物很可能在6亿年前已经存在，在翁安动物群可能还存在海绵动物。后生动物--艾迪卡拉动物群艾迪卡拉动物群中的部分动物印痕化石Dickinsonia环节动物的蠕虫？刺细胞动物水螅？Arkaruaadami棘皮动物？Tribrachidiumheraldicum刺细胞动物或棘皮动物？CyclomedusaCharnia刺细胞动物？Kimberella两侧对称Spriggina节肢动物？Pteridinium刺细胞动物？ancestorsofmodernanimals？auniquegroupthattotallyextinctedbeforetheCambrian.广泛的地理分布和奇怪的形态令许多学者相信，艾迪卡拉动物群代表了后生动物出现后的一次不成功的适应辐射。它们采取了不同于现代大多数动物的身体构型。艾迪卡拉动物群复原图动物胚胎化石(Xiaoetal.,1998,Nature)其他早期的后生动物化石记录—Dawnoftheanimal薄片中的海绵骨针化石(Li&Chen,1998,Nature)小春虫(水螅虫)(Chenetal.,2004,Science)薄片中的刺细胞动物胚胎和幼虫(Chenetal.,2000,PNAS)Sinocyclocyclicusguizhouensis(Xiaoetal.,2000,PNAS)§5.2太古宙(Archean)太古宙是地球历史中具有明确地质记录的最初阶段。由于历史久远，本身也延续了长达13亿年之久，其原始生成环境的特征早已被改造的面目全非。那么当时的地壳是什么岩石组成的？岩石圈的构造演化有什么特点？1太古宙常见的岩石类型和研究方法：1）岩石类型：在世界范围内，出露和浅埋的太古宙岩石组成的地壳大约占大陆的7%，如果加上隐伏的古老基底，就构成了大陆原始格架的雏形。由于年代久远，太古宙的岩石几乎均遭受了不同程度的变质作用而成为变质岩。就目前所知，太古宙岩石出露区有两种主要的岩石组合：高级变质区（high-graderegion）：以麻粒岩、各种片麻岩、变粒岩等高级变质的岩石构成。原岩：深成侵入的花岗岩类和云英闪长岩，层状的火山岩和沉积岩。花岗-绿岩带区(regionofgranite-greenstonebelt)：由绿岩带与花岗质岩石构成。绿岩带(greenstonebelt)：由变质程度较低的沉积岩（片岩、千枚岩、板岩、变质砂岩、大理岩）和各种变质的火山岩构成。。绿岩带层序的特点：沉积岩（复理石建造）酸性-中酸性火山岩基性火山岩（玄武岩）超基性的科马提岩TTG岩石：上述两种岩石组合中的侵入岩主要是由贫钾的云英闪长岩（tonalite）、奥长花岗岩（trondjernite）和花岗闪长岩（granodiorite）构成。它们是直接由玄武岩石重熔而分异出来的花岗质岩石，是最古老的底密度陆壳，构成了太古宙陆壳的基底。2）研究方法：岩石学（特别是变质岩岩石学）、地球化学和同位素测年。2中国太古宙地史特征目前为止，确凿的太古宙的地质记录主要见于昆仑山-秦岭-大别山以北的地区：华北地区和塔里木地区。华南地区只有零星的记录：湖北宜昌-神农架一带。引自刘敦一等，2007，科学通报1）华北的太古宇：古太古界：冀东迁安曹庄岩系---角闪斜长片麻岩、石榴黑云斜长片麻岩、石英岩。对它们原岩的恢复，内部存在一些表壳岩残片。中太古界：冀东地区的迁西群、辽吉区的下鞍山群，由角闪斜长片麻岩夹磁铁石英岩构成。原岩是基性火山岩和与基性火山活动有关的硅铁质沉积。新太古界：分布广泛，有两种类型的物质记录：西部的沉积变质型和东部的内生岩浆型。华北克拉通构造分区及变质基底分布(fromZhaoetal.2005)图中变质基底缩写：CD:承德;DF:登封;EH:冀东;ES:胶东;FP:阜平;HA:怀安;HL:贺兰山;HS:恒山;JN:集宁;LL:吕梁;MY:密云;NH:冀北;NL:辽北;SJ:吉南;SL:辽南;TH:太华;WD:乌拉山-大青山;WL:辽西;WS:鲁西;WT:五台;XH:宣化;ZH:赞皇;ZT:中条2）华北太古宙时期的重要地质事件：变质热事件：华北地区的太古宇在太古宙时期经历了三次次重要的热变质事件。第一期发生在30亿年之前；第二次发生在30-25亿年；第三次发生在25-24亿年期间。岩浆作用：与变质热事件相伴随的有三次岩浆侵入活动。构造运动：迁西运动、阜平运动和五台运动。TectonicactivitesinArcheanWhatdidtheylooklike?Dotheyhavethesamepatternoftheonesthatarestillactingtoday?A.ultramafictectonite,B.cumulateduniteandwehrliteC.thinlylayeredgabbroD.close-upofchilledmarginsofdikes,exhibitingone-waychillingE.pillowlavas.在河北尊化地区新太古界中发现的蛇绿岩套—Ophiolitesuite（Kusky,Li&Tucker-----Science，2001，May11）华北太古宇的演化代表了太古宙时期地壳的克拉通化过程，即由早期的洋壳型地壳逐渐向陆壳型地壳演化。在太古宙早中期，洋壳型地壳板块的相互碰撞形成一系列的岛弧海沟环境，在岛弧附近一些基性火山岩重熔分异而产生的原始陆壳物质，构成了岛弧的基底。岛弧上的风化剥蚀作用为其周边的沉积环境提供了大量的碎屑物质的来源，加速了地壳的物质分异过程。到太古宙晚期，通过一系列的岛弧与岛弧的碰撞拼合，逐渐形成了一些原始的陆壳块体。地壳由原始的不稳定状态向稳定状态转变，最终在太古宙的后期形成稳定的陆壳，并快速增生和增厚，构成了华北板块的核心—陆核。华北太古宙的地史特征实际上是全球太古宙时期地壳演化的一个缩影。太古宙时期的地质演化的最重要内容就是地壳的克拉