2013人教版地理选修1《地球的早期演化和地质年代》ppt课件

地球的演化与地质 时代 黄定华 中国地质大学（武汉） 地球生物学系 绵绵不尽的时间 长河，谁会想到有一个源 头？浩瀚无垠的宇宙空间 ，谁能想到是从“无”到 有？地球的形成与演化， 正是在这一无尽延续的时 间中，无穷拓展的空间里 ，所发生的无数科学传奇 之一。 1 时间的“零点” 与 宇宙的“奇点” 时间和空间的起点，肇始于160亿年 前。一次开天辟地的大爆炸中，诞生 了早期宇宙。 大爆 炸时刻 轰鸣的火车驶近我们时声波频率增强，声调 变高；驶离时则声波频率降低，声调也变低，这就 是多普勒效应。与此同理，发光体接近观察者时， 见到的光谱线向频率高的蓝光方向移动，称为蓝移 ；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称 为红移。这也是多普勒效应。 多普 勒效应 宇宙的起源与演化 宇宙的稳定性：牛顿引力定律 吹气球模式与大爆炸模型 F=fM1M2/R2 多谱勒效应与星体红移 从各个方向上观测到的星体 都在离我们而去 最初的宇宙，是从一个无穷小的“奇点”开始扩展 的。大爆炸中诞生的宇宙，经历了从初期的急剧暴涨， 早期的迅速扩张和后来的局部收缩阶段。其中一些重要 的事件包括 大爆炸时刻表 大爆炸后的10亿亿亿亿分之一秒（10-34 秒）内，早期宇宙的体积“从无到有”，急剧 暴胀了10100倍； 大爆炸后的1秒钟内，宇宙温度高达100亿 K以上。此时还没有原子和分子，只有电子、 质子和中子等基本粒子； 3分钟后，宇宙温度降至10亿K以下，质子 和中子聚变为原子核，形成了最初的四种物质 。其中氢占78%，氦约22%，另有极少量氘和锂 ； 10亿年后，膨胀较慢的区域发生局部收缩 ，星系开始形成； 50亿年后出现首批恒星； 100亿年后，太阳系诞生； 距今46亿年前，地球形成。 星云假说与太阳系 起源 初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在引 力作用下，它们分别聚集为大型星系云，再收缩形成星系。 星云在引力收缩中加速旋转，分别脱生出行星圆盘和卫星圆 盘，最终形成了九大行星拱卫而成的太阳系。这一时刻距宇 宙大爆炸约100亿年 从大爆炸的尘埃中，谁会料到生命的突现？在太 阳系的星云里，谁能预期地球的繁荣？幂幂宇宙中 迸发出的勃勃生机，无疑是在一个无穷小的概率下 ，产生的一次“亿”载难逢的奇特机遇。而要了解 地球与生命之旅的唯一途径，也许只有从地球演化 的历史中探寻。 楔 子 2 地球的早 期演化 行星地球形成以后，地球在内、外两部发动机的联合驱动下，才 得以开始不懈的运动与演化过程。这两部发动机联合驱动，又各司 其职，将地球系统的运动和演化过程从性质上划分为外动力作用过 程和内动力作用过程，从时间上划分为短期过程（天至几百年）和 长期过程（百万年至几十亿年）。地核地幔过程 太阳驱动过程 板块构造 物理气候系统 生物地球化学循环 早期地球过程 古气候史 古气候 人类活动 千百万年尺度天几百年尺度 当原始地球内部物质升温达到熔融状态时，比重大的亲 铁元素向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上 浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷 发溢出地表，形成原始的水圈和大气圈。最终在水圈和大 气圈的相互作用中诞生了生命。 地球的起源与形成，是一部优美 的三部曲： 46亿年前，太阳星云在加速旋转的过程中 分化出原始地球。原始地球温度较低，轻重元素浑 然一体，是一个相对均匀、尚无分层结构的行星。 地球的起源与形成，是一部优美 的三部曲： 原始地球一旦形成，即扑获周围的星云物 质（或在旋转中甩出自身的部分物质），形成自己 的卫星月球。同时因重力分异和放射性元素蜕 变而开始增温。 地球形成以后 的地形变化可 以按时间顺序 分为六个阶段 这六个时间分 别为： 46亿年阶段；42 40亿年； 2510亿年；5 亿年前； 1亿年前和现代 阶段。 地球表层地形的变化也经历了漫 长的岁月 地球形成以后的圈层结构变化 地球圈层结构的形成以地球 的化学分异作用为主，其中包括 重力分异等物理过程。 1、在地球形成初期，熔融的地球最早进行的化学作用 是分异成圈过程，即由均一的物质分解出不混熔的液滴 ，不混熔的液滴不断聚集，导致密度大的物质下沉形成 地核，实现了核、幔分异； 三圈分异两部曲 2、随之，地幔逐渐冷却固化，易融物质因其熔点和密 度较低，逐渐上浮至地球表层，冷却后形成地壳。 早期在高能状态下生成了镁铁质岩浆，冷凝后形成原始岩石 圈，当时热点的规模也非常大； 随后长英质岩浆上升、生成的沉积岩开始褶皱； 继后，部分熔融的中性和长英质岩浆上升形成原始大陆地壳、 并开始生成变质岩，现代壳幔结构形成。 岩石圈的演化过程 大型热点 形成的火 山岩 绿岩带 沉积岩开始褶皱 地幔对 流 地壳 地幔 早期沉积盆地 长英质岩石 大陆褶 皱构造 部分原始地壳 下沉到地幔 早期的镁铁岩和沉积岩开始转变 成变质岩 部分熔融 的长英质 岩浆上升 部分熔融的中 性和长英质岩 浆上升形成原 始大陆地壳 深剥蚀面 原始 地壳 地球的演化与生命的起源 地球从形成到今天已经有46亿年。若以46亿年比 作人类的一年，那么在这“一年”中， 地球形成于一年肇始的1月初； 地壳于2月凝结（38亿年前）； 原古海洋在3月产生； 最早的生命诞生于4月，但它们留下化石则已是5 月间了； 12月中旬时，恐龙成为当时地球上的主宰； 灵长类的踪迹晚至12月26日才出现； 作为一代天骄的人类历史，如以300万年计，则直到 12月31日“傍晚”的“6点24分”，方才姗姗来迟。 但却恰好赶在“除夕”之夜的新闻联播之前， 成为这一“年”内最具爆炸性的新闻 如果从最早的人类开始算起，可 以把上下5千年的中华民族历史延长 600倍；如果从地球肇始的46亿年开 始，可以把从猿到人的演变过程操 练1500遍。 46亿年有多长？ 3 地质年 代表 地质年代的建立：为了反映地球发展的历史和阶段及地 质事件的先后顺序，需有一世界统一的时间系统地质 年代表。 地质年代分为两类：相对地质年代（先后顺序）和绝对 地质年代（同位素测年）。 突变论与渐变论之争 国际地质年代表 地质年代和事件时间是如 何确定的？ 由于地球形成以来经历过复杂的改 造和变动，原始地球形成时的物质记 录已经破坏殆尽。推测地球的年龄， 需要从地球自身的最老物质记录、月 球岩石年龄和太阳系内原始物质几方 面来探讨之。 地球上已知最老的岩石是一种出露于澳大利亚西南部的石 英岩，根据其中所含矿物（锆石）的形成年龄测定，证明已有 4142亿年历史。 月球上最老的岩石年龄约为46亿年。 太阳系内的流星、陨石和宇宙尘是太阳星云原始物质的残 留部分，其中陨石的物质成分虽有铁质、石质之分，但已知的 形成年龄都在46亿年左右，可以代表太阳系早期的年龄。 陨石的成因 陨石是小行星的碎片，但“一个母体形成陨石” 的观点已被“众多小行星母体形成”的观点所取代。由于小行 星的形成时间和形成方式与地球相似，对比陨石的成因就可以 了解地球的成因和组成。 陨石的年龄 已收集到的不同陨石群的年龄不同，但用不同方法 测定的陨石的最老年龄集中于45-47亿年；推测地球的形成年龄 即为46-47亿年。 相对地质年 代 相对地质年代确定的依据：岩层的沉积顺序、生 物演化和地质体之间的相互关系。 了解相对地质年代，必须了解地层与化石的概念 。 必须掌握地层层序律、化石层序律和和生物演 化律的基本内涵。 岩层：是指两个界面所限制的同一岩性的层状岩石，包括沉积 岩、火山岩和部分变质岩。 地层：具有一定时代含义的岩层或其组合。 地层层序律：根据“将今论古”原则，成层岩石的形成是自下 而上顺次叠置而成 的；在未发生倒转或破坏的情况下，上覆 地层新于下伏地层。 未发生倒转的水平岩层 新 老 未发生倒转的倾斜岩层 新 老 古生物定年法 生物演化律： 生物演化的规律有四个方面的特点； 1 .从低级到高级、从简单到复杂。 2 .缓慢的量变到急速的质变交替出现，构成了演化的 不同（性质的）阶段。 3 .生物的演化是不可逆的。 4 .生物具有对环境的适应性和迁移性。 化石： 保存在沉积岩层中被石化了的古生物的遗体 和遗迹。 化石层序律： 不同时代的化石保存在不同时代的地层 中，古老的化石只能保存在较早形成的地层中， 年青的化石只能保存在较晚形成的地层中。 发现于辽西地区、生活于1亿 年内的双栖孔子鸟化石 发现于云南澄江地区、生活于5 亿年前的的古虫动物门化石 生物进化的特点和规 律 进步性发展 少多，简单复杂，低级高级 生物发展的阶段性：原核真核；单细胞多细胞 ；多细胞体制不断改进 生物进化的重大突破：异养自养；两极（合成者+ 生产者） 三极（生产者+消费者+还原者）生态系 ；水生陆生 进化的不可逆性 在生物演化过程中，已经绝灭的生物和退化的器官，在 以后的历史中就不可能再次出现 生物进化的特点和 规律 器官相关律 环境条件变化使生物的某些器官发生变异而产生新的 适应时，必然会有其他的器官随之变异 重演律（生物发生律） 个体发育史是系统发育史的简短而快速重演 个体发育：即个体从生命开始到死亡为止的演变过程 系统发育：即生物系统的发生和演变过程 生物进化的特点和规律 适应：在长期的演化过程中，由于自然选择的结 果，生物在形态结构及生理机能上，与其生存环境 取得良好协调一致 特化：生物对某种生活条件特殊适应的结果。它 们在形态和生理上发生局部变异，但其整个身体的 组织结构和代谢水平并无变化 辐射：生物进化过程中，由于适应不同的生态条 件或地理条件而发生物各分化 趋同：亲缘关系疏远的生物，由于适应相似的生 活环境而在形体上变得相似 相对地质年代的确定 地层叠覆律 地质体之间的切割律： 地质体之间的切割关系主要以下几种： 1.岩体与岩层：沉积接触和侵入接触关系 2.岩体与岩体之间的切割关系 3.岩层与岩层之间的不整合关系（角度与平行不整合 关系） Relative time 同位素地质年 龄 同位素地质年龄：利用同位素的蜕变规律来计算得 到的矿物和岩石的形成年龄。 同位素定年法 Geode-time 利用相对地质年代和同位素测年法 ，将地层系统、构造及生物演化阶段建 成全球统一综合表，称地质年代表。 地质年代表： 4 地质年代和年代 地层单位 地质年代的划分与单位：以生物演化阶段、地层 形成顺序、构造运动及古地理特征等为依据将地质 历史划分为若干阶段而形成的年代单位，一个地质 年代单位代表了一个时间地层单位中岩石形成的时 间范围。 划分等级： 宙代纪世 时间地层单位：与地质年代单位相对应。一 个时间地层单位代表了一定时间范围内形成的 全部岩层。具有全球对比意义。 划分等级： 宇界系统 岩石地层单位：以地层的岩石特征作为划分依 据的地层单位。它不考虑其年龄，具有地方性， 使用范围有限。 划分等级： 群组段层 组是基本岩石地层单位。命名：地名+等级名 如蒲圻群、临湘组、邵东段等。 地质年代 年代地层 岩石地层 （时间单位） （地层单位） （地层单位） 宙(eon) 宇(eonothem ) 群(group) 代(era) 界(erathem) 组 formation) 纪(period) 系（system） 段 (member) 世(epoch) 统（serios） 层 (bed) 地质年代和三种地层单位的 异同与对比 5 地质时期的重大转折期与 地质事件 在46亿年的漫长地质时期中，曾经出现过多次重 大的地史转折和全球性事件。这些事件造就了今天 的陆洋格局，奠定了我们生活其间的生命世界。然 而，其中还有许多事件的起因和过程，至今仍是未 解之谜。 生命的演化 地球物质本是宇宙中普通的物质，在地球上却演 绎出一段神奇的历史从无机界一统天下的最初 局面，在电闪雷鸣中，从“原始汤”里面，分道扬 镳，脱胎出了勃勃生命。 石头里蹦出来的生命 地球物质 晶体矿物岩石地质体无机界 氨基酸蛋白质细胞高等生命有机界 生命形成于水中，最初的水是从地幔中析出的，所以应该说 ：生命是从石头里诞生的。 艰难的进化之路 生命之旅开始之初，曾经步履为艰：漫长的二 十多亿年中，生命的种类一直是如此单一，在恶 劣的生态环境中，艰难地向前。 ？脊椎动物起源 ？最早的后生动物 ？真核生物的起源 40亿年 已知最古老的岩石 最早的生命的 同位素证据 最古老的原核 生物化石 30亿年 动物登陆 植物登陆 10亿年 20亿年 人类出现 （据舒德干资料） 演化失败的Ediacara动物群 生命的先驱在混浊的环境中探索向前，适者生存，否则淘 汰，也随之成为自然界的基本法则 直到一个突然出现的机遇，生命的旅程才发生了 翻天覆地的变化。那真是“忽如一夜春风来，千树 万树梨花开”。在地球广袤然而贫瘠的大洋中，仿 佛一夜之间，出现了几乎所有的门类。 生命大爆发 触手担轮类 蜕壳类 原口动物 后口动物 原生动物 寒武大爆发 前寒武纪 寒武纪大爆发 Catching the first fish 大爆发掀起了生命进化的高潮，数不清的生物类 型“你方唱罢我登场”，迅速地占满了进化树上的 所有位置。新生的生命形式是如此的错综复杂，以 致于生物学家不得不罗列出“界，门，纲，目，科 ，属，种”七个分类级次，去辨别和研究它们。 生命类型知 多少 生物学家将现代生命划分出四大生物界，仅植物 和动物就有100多万种。而古生物学家则进一步推 断，地史时期中所有出现过的物种共计可能要超过 1000万种。 植物 低等无脊椎动物 高等无脊椎动物 脊椎动物 藻类 约26,900种 原核生物 约4,760种 腔肠动物 约9,800种 鱼类 约19,100种 菌藻类 约47,000种 原生动物 约30,800种 棘皮动物 约5,000种 两栖类 约4,200种 高等植物 约248,500种 扁形动物 约12,000种 环节动物 约12,000种 爬行类 约6,300种 线虫动物 约12,000种 软体动物 约50,000种 鸟类 约9,000种 海绵动物 约5,000种 昆虫类 约751,000种 哺乳类 约4,000种 昆虫以外的节肢动物 约423,000种 现代动植物 在兴兴向荣的向前发展中，生物界也经历了大规 模的灾难在一些特殊的地质时期，许多生物门 类突然发生全球性绝灭，使生物界几乎遭受灭顶之 灾。这就是生命史中著名的大绝灭事件。 生物大绝灭 显生宙以来的五次大绝灭 史无前例的生物 大灭绝 古中生代之交时，生物界遭受了一次巨大灾变 ，的科，的种突然绝灭，从而彻底改 变了古生代以前的生命进程，也深刻影响了中生代 以来的生物格局与这种生物界的巨变相对应，地 球的物理系统也同样发生了翻天覆地的变化两个 世界同时或先后出现异常与突变，留下了许多难解 的科学之谜 长兴剖面162属333种海生生物的生 存年代 化 演 与 灭 绝 的 石 形 牙 末 纪 叠 二 三叠纪二叠纪界线 生命凋零的真实原因是如此扑朔迷离又发人深思， 以至于科学家把这次绝灭称作： 十二人陪审团制造的 “东方列车谋杀案” 泛大陆聚散 1. 自然界中的自发过程一般都应该使物质趋 于均匀分布，在经历了几十亿年的演化之后， 起源各异的大陆板块也应分散、与大洋板块交 错且大致呈均匀的空间分布才符合这一规律 但会聚为什么使陆洋各自集中且互相对峙，使 地表岩石圈的物质分布更加不均？ 古中生代之交时，全球大陆板块奇特地会聚 到一起，形成了一个统一的泛大陆Pangea和两 个断续相连的大洋Tethys和Panthalassa谓 之“奇特”，是基于如下理由： 泛大陆聚散 2. 冈瓦纳大陆和北方大陆究竟是怎样会聚到 一起的？合理的解释涉及冈瓦纳大陆跨过赤道 ，由南向北漂移的机制；两个古大陆的相聚沿 南北向进行，与地球自转方向垂直是否当时 的板块驱动机制与现代不同？ 3. 陆壳和洋壳分别集中还产生了两个相关的 问题一是这一事件对于地球其它圈层的物质 分布和演化到底有什么影响？二是其对当时的 古全球变化和生物大绝灭究竟起什么作用？ 4. 在古中生代之交的这次生 物大灾难中，另一个令人困惑 之处是陆地与海洋生物之间反 常的不对等绝灭谓予反常， 是指在海洋生物几乎全部遭受 灭顶之灾时，一些地区的陆生 生物却经历了一次若有若无的 绝灭过程这又是为什么？ 生境 剥夺 ? 避 难 所? 泛大陆聚散向热力学 ，板块构造和生态学 三个领域的基本常识 提出了挑战 十多种重要的地内和地外异常事件与绝灭同时或接踵发生，其中谁应 为绝灭承担主要的责任？ 生命的未解之谜 绝灭的过程究竟是突然性或渐进性的，是陷入争议的又一个问题 在地史时期的次大绝灭中，古中生代之交的大绝灭规模最大，可 能的诱发性因素最多最为奇特的是：一方面，至今我们不知“元凶 ”是谁；另一方面，却可以肯定它绝非一次偶然发生的“飞来横祸” ，而是地球演化到一定阶段后，或早或迟、但终究要出现的一个必然 性结果故从逻辑上讲，要揭开谜底，需要澄清下列问题： 异常事件群集 异常事件群集 为什么恰巧会在古中生代之交出现这样一系列如同雪崩般的高频事 件群集？ 这些事件之间是各自独立，还是相互激励、相互制约？是由多个因素 共同作用的结果，还是一根导火索引起了全面的爆发？ 这种事件群集的现象是地球演化进程中偶一为之的即兴插曲，还是一 种必然的周期性节律？ 更为重要的是，在这种突发事件群集之前，有没有确定的前兆，可以 据之进行预测和分析？ 绝灭的过程究竟是突然性或渐进性的，是陷入争议的又一 个问题 Schopf认为：泛大陆会聚阶段，构造作用的持续 强化导致了两种生境变化效应： 使海水流向深水洋盆，引发构造大海退； 由于板块对接，使边缘海的数量和面积大为减 少（全球浅海区陆棚数量由早二叠世的43%锐减至晚二 叠世时的13）， 从而造成强烈的浅海生境剥夺效应。 渐变论：Schopf的浅 海萎缩说 突变论：金玉干等提出的撞击- 火山说 突变论要面对的问题是如何解释： 在同一生境内，处于同一条件下的不同物种，如果所遭受 的打击是同样有效的，为什么会有生有灭？ 如果是撞击造成绝灭，那么撞击的部位应该在陆上还是在 海洋中？ 如何解释这次大绝灭至少有两个峰值期的现象？ 综合的观点：Hallam与Ervin 的多成因说 “十二人陪审团制造的东方列车谋 杀案” 问题在哪里 长期研究之后仍留下了众多谜团，其中固然有问 题本身的困难和资料不足的原因，也有研究方法和科学 观念的影响应该说，古中生代之交的事件既不是一 次单纯的生命事件，也绝非一次简单的地史转折它所 包含的问题使其性质超越了单一的学科范畴，而成为一 个涵盖多学科的复杂性课题 因此，有必要在前人研究的基础上，调整视角，采 取各个击破，逐步推进的对策，针对问题的科学内涵与特 征，寻找新的切入点，并给以锐利一击 从这一角度看，圈层耦合与生物响应之间有什么关 系，环境变迁如何在这两者之间架设桥梁，也许有必要加 以关注。 为什么会在P-T之交出现地史转折点 导致地史转折的原因是什么 此原因是否也就是导致大绝灭的原因 大绝灭时的生物响应有何特征 还会不会有类似的大绝灭事件发生 一次因意外撞击而提前发生的必然性生态 危机! 大绝灭扳机何在 内核偏移幔柱活化岩石圈新生和撕裂 板块漂移并会聚于新的位置 尽管古生代末的这次绝灭 规模最大，但更引人注目 的却是 小行星撞