第二章地球的演化历史

第二章地球的演化历史地球形成至今已有46亿年的历史，她处于永恒地运动之中，我们今天看到的只是地球演化历史中的一个片断。我们今天所能够得到在关于地球演化的资料，也只是地球演化历史长河中的一些零星信息，但我们依然可以通过这些信息描绘出地球早期演化的一些景象。2.1地球的早期演化2.1.1陨石冲击事件与地球的形成地球的形成与太阳系的形成有着密切的关系。从目前行星比较地质学的研究结果看，在太阳系形成的早期存在着大规模的陨石冲击事件。这次陨石冲击大约发生在距今40亿年前，时间可能长达5－10亿年，月球、水星以及众多的小行星至今布满了这次冲击事件的陨石坑。月球表面分布着大大小小的陨石坑水星的表面和月球一样布满了陨石坑而地球、金星、火星有较为复杂的内外动力作用过程的行星，表面受到了长期的改造，陨石坑保留的数量极其有限，但仍可辨别出陨石冲击的痕迹。火星表面仍可辨认出陨石坑陨石冲击事件实际上是太阳系形成中的一个必然过程。太阳系形成初期，原始的气尘云在万有引力的作用下首先凝聚成大大小小的块体，并逐渐的相互撞击形成大的凝聚中心。之后，逐渐演变成行星。陨石冲击事件不但是行星形成的原因，也是地球圈层分异的主要原因之一。2.1.2地球外圈的形成地球形成的早期曾经存在一个原始大气圈，其成分与宇宙中的其它天体一样，以氢、氦为主。由于氢、氦气体容易向外层空间逃逸，在太阳风的作用下很快就消失了。地球早期的陨石冲击事件使得地球表面的温度不断增加，大部分的岩石和外来的陨石都处于熔融状态，岩石中的挥发组分从岩石中分离出来，形成了现在大气圈的雏形，但早期大气圈的成分和现在的大气圈成分相比有较大的区别，最明显的是氧和二氧化碳含量的变化。水圈的形成也与大气圈的形成相似，在陨石冲击下，陨石和地球岩石中大量的结晶水由于温度的升高从矿物的分子结构中分离出来，形成大量的蒸汽，并最终形成水圈。地球生命的起源问题是自然科学的三大基础理论问题，目前尚无明确的答案。20世纪60年代，科学家已经发现宇宙中存在大量的有机分子，说明构成生命物质基础的有机物质可以在自然条件下的宇宙空间形成。但从从简单的有机分子道生命的诞生则需要经过：有机物小分子有机物大分子多分子体系生命的飞跃过程。从地球早期大气圈的成分推测，由于早期大气圈中氧的含量很低，臭氧的含量更低，不能有效地阻止太阳紫外线辐射对生命的伤害。因此地球早期的生命可能诞生于海洋，海洋中富含各种生命繁殖所必须得元素，同时深深的海水阻挡了紫外线对生命的伤害，是生命繁衍最合适的环境。有证据表明，地球在水圈形成之后不久生命就诞生了，在南非巴布顿地区发现了地球上最古老的生命记录距今已经38亿年。在此之前科学家通过地球化学研究的手段已经推测出地球上的生命应该诞生在距今38亿年或者更早的时间。在南非发现的38亿年前球状菌化石遍布世界各地的一种岩石“条带状磁铁石英岩”（世界上许多大型铁矿都产于这种岩石中，我国最古老的岩石类型也是这种岩石，鞍钢、本钢、首钢的矿区也都是这种岩石）可能是生命参与作用的一个证据。大家知道铁的化合物有Fe＋＋和Fe＋＋＋两种形式，FeO溶于水，Fe2O3则不溶于水。在早期陨石冲击事件中，由于大量的陨铁落入地球，地球表层的铁和硅的含量很高，海水中充满了FeO合SiO2。由于大气中氧的含量并不高，所以Fe＋＋很难被氧化成Fe＋＋＋沉积下来，只有在厌氧生物的帮助下，这种过程才可以进行。厌氧生物在繁殖过程中所排出的O2促进了FeO的继续氧化，形成Fe2O3沉积下来，同时由于大量厌氧生物的繁殖使海水逐渐转变成氧化环境，生物大量减少，形成了SiO2的沉积，这样不断地循环反复形成了条带状磁铁石英岩。这个过程也逐渐地改变了大气圈的化学成分，使大气中的CO2逐渐减少O2逐渐增多，慢慢地演变成今天的大气。2.1.3地球内圈的形成陨石冲击事件给地球带来了大量的物质和能量，使地球的温度急剧升高，并使地球表层处于熔融状态，促进了地球的圈层分异。地球内圈形成和演化的另外一个重要因素是行星的质量。狮子座流星雨行星的质量决定了行星的内部结构和演化历史。只有质量达到一定值，行星才能够演化成球体，小行星的外形是随机的。951号小行星类地行星及月球的内部结构火星地球月球金星水星在重力的作用下，行星物质不断分异，重物质向行星内部集中并释放势能，同时放射性物质所释放的能量使地球内部不断地升温，加速了物质的分异，最终形成了内部圈层。质量越大，这种分异过程也就越长，能量积累也越多，行星的活动性时间也就越长。从地球的大地热流研究看，地球内部向外释放的能量远小于地球内部所产生的能量，因此地球内部的活动还将继续下去。而像水星、火星这种质量较小的行星，现在已经停止了内部的活动。2.2地质年代学索尔伯兹里巨石阵2.2.1相对地质年代在研究地球的演化历史或者地质过程时，有时候并不一定需要知道地质事件发生的准确时间，而只需要知道它们之间的先后顺序，这种只确定地质事件发生先后顺序的方法称为相对地质年代。在没有找到合适的定龄方法之前，地质学家采用的就是相对地质年代的方法来确定地质事件发生的先后顺序。这种相对地质年代学的方法至今仍然是地质学家研究地质过程的主要手段。N.Steno与地层层序律斯坦诺的职业是医生，他利用在医学中学到的生物学的知识研究化石，创立了生物地层学的原理，并提出了地层学的三个定律：地层层序律即先沉积的一定位于地层的下部后沉积的一定位于上部，由此可以确定沉积事件的先后顺序。原始连续性定律即沉积过程中如果没有干扰因素，则原始的沉积地层一定是连续的。原始水平性定律在原始条件下形成的沉积地层一定是水平的。原始水平连续的地层由这三条定律出发，如果发现某个地区的地层不符合上述情况，这一定有什么地质事件发生。通过对区域间地层的对比，就可以确定区域地层沉积的先后顺序，并根据其它地质体与地层的关系来确定地质事件发生的先后。W.Smith与生物地层学方法由于地层的发育往往局限于一定的区域，而不同地区的地层则很难进行对比，这种方法也受到了限制。英国学者W.Smith发现在特定的地层中往往有一些特定化石类型，如果反过来用特定的化石种类来确定特定的地层就可以进行跨区域的地层对比了。后来经居维叶、拉马克等人的不断完善，逐渐演变成生物地层学。标准化石在生物地层学研究中最主要的是选择那些地质历史中存在时间比较短、演化快、分布范围广的古生物化石——标准化石，以提高对比的可靠性。地质年代表通过几代地质学家的不断努力，终于确定了一个地质年代表，可以进行全球范围的地层对比，并确定时间关系。地质年代表宙（宇）代（界）纪（系）距今x百万年始第四纪Q1.7新第三纪N23新生代老第三纪E65白垩纪K135侏罗纪J190中生代三叠纪T250二叠纪P285石炭纪C350晚古生代泥盆纪D405志留纪S435奥陶纪O480显生宙古生代早古生代寒武纪∈570新元古代Pt3800中元古代Pt21800元古宙古元古代Pt12500新太古代Ar23100太古宙古太古代Ar12.2.2绝对地质年代绝对地质年代是以绝对的天文单位“年”来表达地质时间的方法，绝对地质年代学可以用来确定地质事件发生、延续和结束的时间。在人类找到合适的定年方法之前，对地球的年龄和地质事件发生的时间更多含有估计的成分。诸如采用季节－气候法、沉积法、古生物法、海水含盐度法等，利用这些方法不同的学者会得到的不同的结果，和地球的实际年龄也有很大差别。放射性同位素法1896年贝克勒尔发现了铀的放射性，1902年居里夫人首先提出了可能利用放射性同位素的特点确定矿物年龄的思想，1905年提出了利用U、Pb放射性同位素确定矿物年龄的方法，并在1907年成功地获得第一个U－Pb放射性同位素年龄。矿物的年龄可由下列公式计算：1Dt=—ln(—+1)xPt－矿物的年龄，D－矿物中的子同位素含量，P－剩余的（未分解的）同位素含量，X－同位素衰变常数。目前地球科学领域所采用的同位素定龄方法主要有U－Pb法、钾－氩法、氩－氩法、Rb－Sr法、Sm－Nd法、碳法、裂变径迹法等，根据所测定地质体的情况和放射性同位素的不同半衰期选用合适的方法可以获得比较理想的结果。2.2.3地球的年龄利用放射性同位素所获得的相关年龄地球上获得的最大年龄42亿年月岩年龄46-47亿年陨石年龄在46-47亿年之间因此地球的年龄应在46亿年以上2.3地质历史中的生命演进寒武纪之前(前寒武纪)，地球上的生命都是非常低级的，主要是一些单细胞生物、环节动物、节肢动物等。电镜下的原核生物太古宙是地质记录最为古老的年代，是地球形成后的初始期，其时限约从38亿年至26亿年前，长达12亿年。太古宙的岩石大多经过了高温高压的变质作用，属于高级变质岩类，由于年代久远，确实很难寻觅到化石，人们对这一时期的生命活动了解得很少。但20世纪后半期，科学家们陆续在南非和澳大利亚获得了重大收获，在变质程度不太剧烈的沉积岩层中发现了叠层石，这是微生物和藻类活动的产物。在南非的一套古老沉积岩中，科学家们借助先进的精密观测仪器，发现了200多个与原核藻类非常相似的古细胞化石，这些微体化石一般为椭圆形，具有平滑的有机质膜，这是人们迄今为止发现的最古老、最原始的化石，也是在太古代地层中发现的最有说服力的生物证据。元古宙末期，大约从8.5到5.7亿年，被命名为震旦纪，这是因为这段时间在生命演化历程中具有呈前启后的意义，并且它的命名地是在中国。“震旦（Sinian）”意指中国，德国地质学家首先把它用于地层学，许多学者都仿效使用，但含义有所不同。后来地质学家们重新定义了震旦纪，我国著名地质学家李四光等在长江三峡建立起完整的震旦纪地质剖面，这就是有名的峡东剖面，它向全世界提供了地层对比的依据。震旦纪已有了明确的生物证据，在动物界出现了低等的小型具硬壳的物种，以及大量裸露的高级动物，后者就是发现于澳大利亚的埃迪卡拉动物群。在植物方面表现为高级藻类（如红藻、褐藻类等）的进一步繁盛，宏观藻类也得到飞速的发展，这时的地球已彻底改变一片死寂、毫无生气的面貌了。震旦纪的单细胞生物单细胞生物化石早古生代进入早古生代，生物有了突飞猛进的发展，一些大型的古生物相继出现，如三叶虫、鹦鹉螺等。出现了生命演化史上的第一次繁荣景象。在中国云南澄江发现的寒武纪古生物是最有代表性的寒武纪生物群。螺旋藻三叶虫化石鹦鹉螺化石我国寒武纪地层在南方和北方都有广泛的分布，并产有丰富的古生物化石。近年来对云南澄江地区寒武纪古生物的研究取得了许多重要的成果，澄江动物群的深入研究将为揭开寒武纪生命大爆发的奥秘提供大量的信息。澄江动物群复原图冒天山蠕虫澄江动物群复原图尖峰虫澄江动物群复原图抚仙湖虫古杯动物奥陶纪是早古生代海侵最广泛的时期，这为无脊椎动物的进一步发展创造了有利的条件。这一时期，海生无脊椎动物不仅门类和属种大量丰富，在生态习性上也有重要的分异。主要生物种类除三叶虫外，还有笔石、海绵、鹦鹉螺、牙形刺动物、腕足类、腹足类等，奥陶纪还出现了原始的鱼类奥陶纪牙形石奥陶纪笔石具有中枢神经的脊索动物在志留纪的海洋中，珊瑚出现了较多种类，它们为晚古生代（主要是泥盆纪和石炭纪）珊瑚的空前繁荣奠定了基础。志留纪的主要珊瑚类型是床板珊瑚和四射珊瑚，尽管当时的珊瑚中许多是单体而不是群体，但由于数量丰富，海洋中已经形成了珊瑚礁。层孔虫是另一类海洋生物，它们可以分泌钙质的骨骼，也具有造礁能力。腕足类是一种固着生物，具有两瓣硬壳，死后容易保存成为化石，形成壳相地层。此外，志留纪时的重要生物还有苔藓虫、三叶虫、鹦鹉螺类和笔石类。其中，笔石是一种非常重要的生物，其的化石通常保存在岩层面上，很象用笔书写的痕迹，故称之为笔石。左图志留纪的笔石上图分布于我国东南沿海的文昌鱼早古生代腕足动物志留纪海绵动物志留纪棘皮动物晚古生代泥盆纪生物登陆，蕨类植物、总鳍鱼石炭纪裸子植物，到处是绿色的世界，是煤炭形成的主要地质年代。二叠纪以生物大量灭绝为特征，可能是由于环境的变迁。泥盆纪甲胄鱼泥盆纪鲨鱼泥盆纪总鳍鱼泥盆纪鱼类首先从无脊椎动物中分化出来，形成生物