第四講地質(zhì)年代與地質(zhì)作用

1、第四講 地球的生物演化與地質(zhì)年代第一節(jié) 地球上的生命起源生命的基本特征就在于蛋白體(目前的理解為類似于原生質(zhì)的核酸一蛋白質(zhì)體系)具有的新陳代謝能力。這種能力是任何非生命不具備的，所以生命是物質(zhì)運動的最高形式。生命(生物)與非生命(非生物界)之間并不存在不可跨越的鴻溝，構(gòu)成生物體的50多種元素在非生物界里同樣存在，說明兩者有著共同的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物是非生物演化到特定階段的產(chǎn)物。地球完成初始圈層分異后，隨著地表溫度下降到3000C，地球表層已經(jīng)存在原始地殼(硅鎂質(zhì)玄武巖為主)、原始水圈(呈強酸性)和原始火山氣圈(以大量水蒸氣、H2、CO、NH3、CH4、H2S等為主，屬于還原環(huán)境)。英國人米勒(SL

2、Miller，1953)通過玻璃容器中上述混合氣體的放電實驗，獲得了氨基酸等簡單有機物(圖24)。原始地球表面在紫外線、電離輻射和雷電作用下也完全可以形成這些有機物，已經(jīng)不再有人懷疑。這些有機物匯聚到原始海洋之中，有人比喻為“生命培養(yǎng)湯”。在經(jīng)過地殼環(huán)境的熱聚合等作用促進下，逐漸由氨基酸一類蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)，真正蛋白質(zhì)合成的出現(xiàn)，就完成了向原始生命進化的飛躍。有生命的原生質(zhì)是一種非細胞的生命物質(zhì)，進一步的演化是形成具有保護功能的外膜，成為具有更完備生命特征的細胞，從而進入了地球歷史中生物界和非生物界共同發(fā)展的新時代。地球上最古老生命的記錄(化石)，已在南非巴布頓地區(qū)和澳大利亞西部的燧石(一種與海

3、底熱液噴發(fā)有關(guān)的SIO2膠體在海洋中沉淀形成的巖石)層中發(fā)現(xiàn)，主要是球狀和棒狀的單細胞細菌化石。由于燧石的同位素年齡測定前者為38×108a，后者為35×108a，可推論當時地球上的單細胞生物已經(jīng)出現(xiàn)(地球科學上稱為太古宙早期)。在此發(fā)現(xiàn)之前有人從地球化學角度依據(jù)12C、13C碳同位素比率(僅13C與生命物質(zhì)有關(guān))，也可以推論出地球的生命開始于38×108a前。地球上自出現(xiàn)原始生命至現(xiàn)在豐富多彩的生物圈大干世界，無論在生物門類、屬種數(shù)量、生態(tài)類型和空間分布等方面都經(jīng)歷了巨大的變化。因此，生物圈的形成和發(fā)展也經(jīng)歷了漫長和復雜的歷史，我們可將其簡單劃分為六個階段。一、

4、厭氧異養(yǎng)原核生物階段38億年前出現(xiàn)的原始生物，根據(jù)當時的大氣圈、水圈和巖石圈物理、化學條件，推測應屬還原條件的厭氧異養(yǎng)原核生物類型，即還沒有細胞核膜分異，不能自己制造食物，主要靠分解原始海洋中豐富的有機質(zhì)和硫化物以獲得能量，并營造自身(或稱化能自養(yǎng))。太陽系類地行星上如果存在生命，很可能也屬于此類型。這種生物受到地表特殊環(huán)境空間分布的局限，不可能覆蓋全球，地球生物圈沒有形成。二、厭氧自養(yǎng)生物出現(xiàn)和生物圈初步形成海洋中特殊部位有機物和硫化物的生產(chǎn)量是有限的，異養(yǎng)生物繁殖到一定程度就會面臨“食物危機”。環(huán)境壓力促進了生命物質(zhì)的變異潛能，從而演化出厭氧自養(yǎng)原核生物新類型。尤其是能進行光合作用的藍細菌

5、，可以還原C0。產(chǎn)生O。，合成有機化合物；在生態(tài)方式上也轉(zhuǎn)變?yōu)楦∮斡诤Ｑ蟊韺?，從而可以擴散到全球海洋和陸地邊緣淺水帶，標志著地球生物圈的初步形成。三、真核生物出現(xiàn)和動物界爆發(fā)演化隨著大氣中氧含量逐漸增加，喜氧生物開始代替了厭氧生物的主體地位。由于有氧呼吸捕獲能量的效率高出無氧呼吸約19倍，明顯提高了新陳代謝速度，導致了細胞核與細胞質(zhì)分化的真核生物新類型出現(xiàn)。真核生物出現(xiàn)了有性生殖、多細胞體型特征，并開始了動、植物的分異。我國燕山山脈的薊縣串嶺溝地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)距今175億年的真核生物，證明這次飛躍大約發(fā)生在18億年前后。真核生物在全球的繁盛期大約在10億年前。地球上軟軀體動物的首次爆發(fā)演化發(fā)生于6

6、億年前后，最早發(fā)現(xiàn)于澳大利亞南部伊迪卡拉山，這類動物被稱為伊(埃)迪卡拉動物群(圖42)。它們的形態(tài)和水母(腔腸動物)、蠕蟲(環(huán)節(jié)動物)和海綿(海綿動物)等相似，但這些裸露動物不存在攝食和消化器官，是一種營自養(yǎng)生活的特殊生物門類，根本不同于顯生宙出現(xiàn)的動物類型。該動物群呈爆發(fā)式突然出現(xiàn)，延續(xù)不久又發(fā)生整體規(guī)模大量絕滅。有殼動物的出現(xiàn)和突發(fā)演化，出現(xiàn)在54億年前。1984年中國云南昆明附近的澄江地區(qū)發(fā)現(xiàn)了舉世罕見的澄江動物群，被比喻為寒武紀生物大爆發(fā)事件。澄江動物群是由真正的節(jié)肢動物(三葉蟲)、腔腸動物(水母)、環(huán)節(jié)動物(蠕蟲)和其他門類組成，外形雖與伊迪卡拉動物群有些相似，但體腔內(nèi)部器官結(jié)構(gòu)明

7、顯不同，代表動物界演化進程中采取軀體立體增長和內(nèi)部器官復雜化的另一途徑四、陸生生物發(fā)育和全球生物圈建立自從地球上出現(xiàn)生命以來，古代海洋一直是生物界生存、發(fā)展的搖籃和生活家園。但從距今4億年前起發(fā)生了重要轉(zhuǎn)折，原始陸生植物和淡水魚類在濱海平原和河湖、河口環(huán)境大量繁盛，開創(chuàng)了生物占領(lǐng)陸地的新時代。生物圈的空間范圍也首次由海洋伸向陸地。至37億年前，半干旱氣候下河湖、水塘的周期性干涸，促進了某些魚類逐漸演變?yōu)閮蓷?。距?億年前后，出現(xiàn)茂密高大的森林，而且能適應熱帶、亞熱帶至冷溫帶不同的氣候條件，在地質(zhì)歷史上第一次出現(xiàn)成煤作用高峰期。與此同時，動物界中出現(xiàn)了通過羊膜卵方式在陸上繁殖后代的爬行類。在2

8、5億年前后，全球范圍古地理、古氣候環(huán)境發(fā)生了顯著變化。海洋中的動物界發(fā)生最大的集群絕滅事件，陸地動、植物界也發(fā)生了重要變化，原先適應近水環(huán)境潮濕氣候的兩類和石松類、節(jié)蕨類等明顯衰減，被更為進化的爬行類和裸子植物所取代。五、爬行類和裸子植物天地25億年至65百萬年階段被稱為裸子植物時代和爬行動物(尤以恐龍類最為著名)時(見圖44)。我國四川盆地發(fā)現(xiàn)距今約16億年的馬門溪龍(一種素食的晰腳類恐龍)，身長到22m，體重估計有3040t。我國遼寧北票四合屯等地近年發(fā)現(xiàn)了侏羅、白堊紀之交世界最豐富的原始鳥類動物群(孔子鳥等)。中生代陸生爬行動物的另一個演變方向是重返海洋生活，出現(xiàn)了體型適合游泳的魚龍、頸

9、龍等類型。六、哺乳動物階段和人類出現(xiàn)距今65百萬年左右，出現(xiàn)了地球內(nèi)外圈層多種重大災害事件，地球上生物界面貌又一經(jīng)歷巨大變化?？铸埖扰佬袆游锖蜏\海浮游生物(浮游有孔蟲和超微化石藻)絕滅。從65百年以來開始了以哺乳動物和被子植物為主宰的階段。該階段生物界演化中最重要的事件是今250萬年前后人類的出現(xiàn)。第二節(jié) 地質(zhì)年代的確定與地質(zhì)年代表 研究地球及地殼的發(fā)展演化歷史是地質(zhì)學的重要任務之一。在長達46億年的漫長地質(zhì)歷史中，地球上經(jīng)歷了一系列的地質(zhì)事件，如生物的大規(guī)模興盛與滅絕、強烈的構(gòu)造運動、巖漿活動、海陸變遷等。地球的發(fā)展演變歷史正是由這些地質(zhì)事件所構(gòu)成的。所以，要研究地球或地殼的歷史，其中最重要

10、、最基礎(chǔ)的工作是必須確定這些地質(zhì)事件的發(fā)生年代。 地質(zhì)年代(geologic time)就是指地球上各種地質(zhì)事件發(fā)生的時代。它包含兩方面含義：其一是指各地質(zhì)事件發(fā)生的先后順序，稱為相對地質(zhì)年代；其二是指各地質(zhì)事件發(fā)生的距今年齡，由于主要是運用同位素技術(shù)，稱為同位素地質(zhì)年齡。這兩方面結(jié)合，才構(gòu)成對地質(zhì)事件及地球、地殼演變時代的完整認識，地質(zhì)年代表正是在此基礎(chǔ)上建立起來的。一、相對地質(zhì)年代的確定 巖石是地質(zhì)歷史演化的產(chǎn)物，也是地質(zhì)歷史的記錄者，無論是生物演變歷史、構(gòu)造運動歷史、古地理變遷歷史等都會在巖石中打下自已的烙印。因此，研究地質(zhì)年代必須研究巖石中所包含的年代信息。確定巖石的相對地質(zhì)年代的方法

11、通常是依靠下述三條準則。 (一)地層層序律 地質(zhì)歷史上某一時代形成的層狀巖石稱為地層(stratum)。它主要包括沉積巖、火山巖以及由它們經(jīng)受一定變質(zhì)的淺變質(zhì)巖。這種層狀巖石最初一般是以逐層堆積或沉積的方式形成的，所以，地層形成時的原始產(chǎn)狀一般是水平的或近于水平的，并且總是先形成的老地層在下面，后形成的新地層蓋在上面，這種正常的地層疊置關(guān)系稱為地層層序律(圖4-5)。它是確定同一地區(qū)地層相對地質(zhì)年代的基本方法。當?shù)貙右驑?gòu)造運動發(fā)生傾斜但未倒轉(zhuǎn)時，地層層序律仍然適用，這時傾斜面以上的地層新，傾斜面以下的地層老。當?shù)貙咏?jīng)劇烈的構(gòu)造運動，層序發(fā)生倒轉(zhuǎn)時，上下關(guān)系則正好顛倒。 (二)化石層序律 地層層

12、序律只能確定同一地區(qū)相互疊置在一起的地層的新老關(guān)系，要對比不同地區(qū)的地層之間的新老關(guān)系時就顯得無能為力了，這時，地質(zhì)學上常常利用保存在地層中的生物化石來確定。 地質(zhì)歷史上的生物稱為古生物，化石(fossil)是保存在地層中的古代生物遺體和遺跡，它們一般被鈣質(zhì)、硅質(zhì)等充填或交代(石化)。1819世紀，古生物學家與地質(zhì)學家通過對不同地質(zhì)歷史時期的古生物化石的詳細研究，終于得出了對生物演化的規(guī)律性認識生物演化律，即生物演化的總趨勢是從簡單到復雜，從低級到高級；以往出現(xiàn)過的生物類型，在以后的演化過程中絕不會重復出現(xiàn)。前一句反映了生物演化的階段性，后一句反映了生物演化的不可逆性。這一規(guī)律用來確定地層的相

13、對地質(zhì)年代時就表現(xiàn)為：不同時代的地層中具有不同的古生物化石組合，相同時代的地層中具有相同或相似的古生物化石組合l古生物化石組合的形態(tài)、結(jié)構(gòu)愈簡單，則地層的時代愈老，反之則愈新。這就是化石層序律或稱生物群層序律。利用化石層序律不僅可以確定地層的先后順序，而且還可以確定地層形成的大致時代。圖4-6是利用化石層序律對比甲、乙、丙3個地區(qū)的地層新老關(guān)系的例子，通過對比可建立統(tǒng)一的綜合地層層序圖。(三)地質(zhì)體之間的切割律 上述兩條準則主要適用于確定沉積巖或?qū)訝顜r石的相對新老關(guān)系，但對于呈塊狀產(chǎn)出的巖漿巖或變質(zhì)巖則難以運用，因為它們不成層，也不含化石。但是，這些塊狀巖石常常與層狀巖石之間以及它們相互之間存

14、在著相互穿插、切割的關(guān)系，這時，它們之間的新老關(guān)系依地質(zhì)體之間的切割律來判定，即較新的地質(zhì)體總是切割或穿插較老的地質(zhì)體，或者說切割者新、被切割者老。如圖4-7顯示了幾個地質(zhì)體之間的切割及其新老關(guān)系。 相對地質(zhì)年代只表示了地質(zhì)事件或地層的先后順序，即使是利用古生物化石組合的方法，也只能了解它們的大致時代。要更確切、更全面地了解地球的發(fā)展史，除了知道各種地質(zhì)事件的先后順序及大致時代外，必須定量地知道地質(zhì)事件究竟發(fā)生在距今多少年的時候?延續(xù)的時間有多長?地質(zhì)事件的劇烈程度或作用速率怎樣?以及地球形成的確切年齡、地球或地殼發(fā)展演化的細節(jié)等等。所以，以年為單位來測定絕對地質(zhì)年齡長期以來深受地質(zhì)學界的重早

15、在19世紀，人們就已開始探索絕對年齡的計算方法。例如，有人曾根據(jù)沉積巖的厚度和沉積作用的大致速率來估算地球的年齡；還有人設(shè)想海水是由淡變咸的，然后根據(jù)現(xiàn)代海洋中的總含鹽量與流水每年從陸地帶入海洋的鹽量來估算地球的年齡等等。這些方法顯然都是很原始的和不準確的，其結(jié)果當然也毫無意義。19世紀末，放射性同位素的發(fā)現(xiàn)，為測定巖石的絕對年齡提供了科學方法，這種方法主要是利用放射性同位素的蛻變規(guī)律，因此被稱為同位素地質(zhì)年齡測定法。 放射性元素在自然界中自動地放射出(粒子)、(電子)或(電磁輻射量子)射線，而蛻變成另一種新元素，并且各種放射性元素都有自已恒定的蛻變速度。同位素的衰變速度通常是用半衰期(T12

16、)表示的。所謂半衰期，是指母體元素的原子數(shù)蛻變一半所需要的時間。例如，鐳的半衰期為1 622年，如果開始有10 g鐳，經(jīng)過1 622年后就只剩下5 g；再經(jīng)過1 622年僅只有25 g依此類推。因此，自然界的礦物和巖石一經(jīng)形成，其中所含有的放射性同位素就開始以恒定的速度蛻變，這就像天然的時鐘一樣，記錄著它們自身形成的年齡。當知道了某一放射元素的蛻變速度(T12)后，那么含有這一元素的礦物晶體自形成以來所經(jīng)歷的時間(t)，就可根據(jù)這種礦物晶體中所剩下的放射性元素(母體同位素)的總量(P)和蛻變產(chǎn)物(子體同位素)的總量(D)的比例計算出來。其公式如下： t=1/(1+D/P)式中為蛻變常數(shù)，與蛻變

17、速度(T12有關(guān)。關(guān)系式為=O639T12，通常是在實驗室中測定；P、D值可用質(zhì)譜儀測出。 自然界放射性同位素種類很多，能夠用來測定地質(zhì)年代的必須具備以下條件： 具有較長的半衰期，那些在幾年或幾十年內(nèi)就蛻變殆盡的同位素是不能使用的；該同位素在巖石中有足夠的含量，可以分離出來并加以測定；其子體同位素易于富集并保存下來。表4.l 用于測定地質(zhì)年代的放射性同位素 母體同位素 子體同位素 半衰期(T12) 有效范圍 測定對象銣(87Rb) 鈾(238U)鈾(235U)釷(232Th)鉀(14K)碳(14C)釤(150Sm)氬(40Ar)鍶(87Sr)鉛(206Pb)鉛(207Pb)鉛(208Pb)氬(

18、40Ar)氮(14N)釹(144Nd)氬(39Ar)500億a 45.1億a 7.13億a 139億a 14.7億a 5692 a T0108a T0108a T0108aT0108aT0-104 a 50000a今云母、鉀長石、海綠石晶質(zhì)鈾礦、锫石、獨居石、黑色頁巖云母、鉀長石、角閃石、海綠石 表42 地質(zhì)年代表有機碳、化石骨骼云母、鉀長石、角閃石、海綠石三、地質(zhì)年代表19世紀以來，地質(zhì)學家和古生物學家，通過對全球各個地區(qū)新老不同的地層進行對比研究，特別是對其中所含的古生物化石的對比研究，逐漸認識到地球和地殼在整個發(fā)展進程中，生物界的演化及無機界的演化均表現(xiàn)出明顯的自然階段性。于是，他們以地

19、球演化曾這種自然階段性為依據(jù)，配合同位素地質(zhì)年齡的測定，對漫長的地質(zhì)歷史進行了系統(tǒng)性的編年與劃分，編制出一個在全球范圍內(nèi)能普遍參照對比的年代表，即地質(zhì)年代表(表4·2)。地質(zhì)年代表的建立是地質(zhì)學研究的重要成果，它為推進地質(zhì)學的發(fā)展起到了重要作用，成為現(xiàn)代地質(zhì)學必不可少的重要基礎(chǔ)。 (一)地質(zhì)年代單位及地層單位的劃分 地質(zhì)年代單位的劃分是以生物界及無機界的演化階段為依據(jù)的，這種階段的延續(xù)時間常常在百萬年、千萬年甚至數(shù)億年以上，并且常常是大的階段中又套著小的階段，小的階段中又包含著更小的階段。根據(jù)這種階段的級次關(guān)系，地質(zhì)年代表中劃分出了相應的不同級別的地質(zhì)年代單位，其中最主要的有宙、代、

20、紀、世四級年代單位。 “宙”是最大一級的地質(zhì)年代單位，它往往反映了全球性的無機界與生物界的重大演化階段，整個地質(zhì)歷史從老到新被分為冥古宙、太古宙、元古宙和顯生宙4個宙，每個宙的演化時間均在5億年以上。 “代”是僅次于“宙”的地質(zhì)年代單位，它往往反映了全球性的無機界與生物界的明顯演化階段。每個代的演化時間均在5 000萬年以上。 “紀”是次于“代”的地質(zhì)年代單位，它往往反映了全球性的生物界的明顯變化及區(qū)域性的無機界演化階段。每個紀的演化時間在200萬年以上。 “世”是次于“紀”的地質(zhì)年代單位，它往往反映了生物界中科屬，的一定變化。每個紀一般分為早、中、晚3個世或早、晚2個世。但在第三紀與第四紀中

21、，世的名稱比較特殊。 與上述各級地質(zhì)年代單位相對應的年代地層單位為：宇、界、系、統(tǒng)，它們是在各級地質(zhì)年代單位的時間內(nèi)所形成的地層： 如顯生宙時期形成的地層稱為顯生宇；古生代時期形成的地層稱為古生界，寒武紀時期形成的地層稱為寒武系等等，依此類推。 此外，有些地區(qū)，常因化石依據(jù)不足或研究種度不夠等原因，只能按地層層序、巖性特征及構(gòu)造運動特點來劃分地層單位，稱為區(qū)域性地層單位或巖石地層單位。巖石地層單位一般包括群、組、段3級?！叭骸笔亲畲蟮膸r石地層單位，其范圍可相當于統(tǒng)一系不等，有時甚至可大于系，群與群之間常有明顯的地層不整合面分開；“組，一般是指巖性較均一或幾種巖性有規(guī)律組合在一起形成的巖石地層單

22、位，其范圍通常小于或等于統(tǒng)；“段”是最小的巖石地層單位，通常反映一個組中具有相同巖性特征的某個特殊層位。 （一)地質(zhì)年代表及其生物特征 按地質(zhì)年代由老到新依次簡要介紹如下： 冥古宙(Hadean Eon) 具有“開天劈地”之意，是地球發(fā)展的初期階段，目前在地球表面尚未見到或確證這一時期形成的大量巖石，這可能是該時期的地表巖石絕大部分已被后期改造的緣故。太古宙(Archaeozoic Eon) 是已有大量巖石記錄的最古老地質(zhì)年代，這一時期的巖石一般是變質(zhì)程度很高的變質(zhì)巖，這一時期的生物僅有極原始的菌藻類。 元古宙(Proterozoic Eon) 為較古老的地質(zhì)年代，這一時期的巖石記錄已十分普遍

23、，元古宙包括古元古代、中元古代和新元古代3個代。其中，中元古代和新元古代在我國被分為4個紀，由老到新依次為： 長城紀(Changcheng Period)名稱來自于我國的萬里長城； 薊縣紀(Jixian Period) 名稱來自于我國天津市的薊縣； 青白口紀(Qingbaikou Period)名稱來自于我國北京市附近的青白口鎮(zhèn)； 震旦紀(Sinian Period) “震旦”是我國的古稱。 這4個紀的地層在我國比較發(fā)育，研究較詳細，因此我國地質(zhì)學家用我國的名稱給予了命名，但僅在國內(nèi)通用，尚未得到國際公認，其它國家還有不同的名稱。元古宙的生物主要為各種原始的菌藻類，包括藍藻、綠藻、紅藻及一些細

24、菌，此外還有少量海綿動物、水母及蠕蟲等(圖4-8)。顯生宙(Phanerozoic Eon) 是開始出現(xiàn)大量較高等生物以來的階段，它包括地球最近57億年的歷史，其中又分為古生代、中生代和新生代。 、 古生代(Palaeozoic Era) 意為“古老生物”時代，包括6個紀，由老到新依次為： 寒武紀(Cambrian Period)“寒武”是英國威爾士的古稱，這一地質(zhì)時期的地層在威爾士研究得最早； 奧陶紀(Ordovicean Period)“奧陶”是英國威爾士一個古代民族的名稱，該時期地層也是在威爾士最早研究的； 志留紀(Silurian Period) “志留”是曾經(jīng)生活在英國威爾士邊境的一

25、個古代部族的名稱，在該邊境地區(qū)最早研究了這一時期的地層；泥盆紀(Devonian Period) 該時期的地層在英格蘭的泥盆郡研究得最早I石炭紀(Carboniferous Period) 因該時代地層中富含煤層得名，該名創(chuàng)于英國；二疊紀(Permian Period) 最早研究的該紀地層出露于烏拉爾山西坡的彼爾姆城(Perm)，按音譯應用彼爾姆紀，但因該地層具有明顯二分性故按意譯為二疊紀。其中寒武紀、奧陶紀和志留紀為早古生代，泥盆紀、石炭紀和二疊紀為晚古生代。早古生代是海生無脊椎動物繁盛的時代，包括三葉蟲、珊瑚、海綿動物、苔蘚蟲、腕足類、筆石類、水母、海百合等(圖4-9)。早古生代后期開始出現(xiàn)魚類，到早古生代末期，原始的植物開始登陸，但主要是一些在海邊生存的半陸生低等植物。在晚古生代，雖然海生無脊椎動物仍較繁盛，但脊椎動物的發(fā)展表現(xiàn)更為突出。早古生代晚期出現(xiàn)的魚類，在泥盆紀得到充分發(fā)展，并在泥盆紀晚期逐漸演化成原始兩棲類，開始了動物登陸的歷史。石炭紀是兩棲類的繁盛時代，石炭紀中、晚期開始出現(xiàn)原始的爬行類。在二疊紀爬行動物得到進一步發(fā)展。晚古生代陸生植物群的蓬勃發(fā)展，成為其生物界的又一顯著特征。這一時期主要為蕨類孢子植物，泥盆紀時期開始出現(xiàn)小型森林，到了石炭、