第二章_地球的演化历史

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。
第二章 地球的演化历史
2.1 地球的早期演化
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。
2.1.1 陨石冲击事件与地球的形成

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。
宙（宇）
代（界） 新生代
显 中生代 生 古 宙 生 代 元古宙 早古生代 新元古代 中元古代 古元古代 新太古代 古太古代 晚古生代
太古宙
纪（系） 第四纪 Q 新第三纪 N 老第三纪 E 白垩纪 K 侏罗纪 J 三叠纪 T 二叠纪 P 石炭纪 C 泥盆纪 D 志留纪 S 奥陶纪 O 寒武纪 ∈ Pt3 Pt2 Pt1 Ar2 Ar1
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。
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
距今 x 百万年始 1.7 23 65 135 190 250 285 350 405 435 480 570 800 1800 2500 3100
地 质 年 代 表
2.2.2 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。
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
火星
地球
月球
金星
水星
类地行星及月球的内部结构
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。
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 。
冒天山蠕虫
澄江动物群复原图
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
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。
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。
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。
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。
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
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： 1 D t = — ln ( — +1) x P
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。
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。