Dlvegq第四讲 地质年代与地质作用

1、秋风清，秋月明,落叶聚还散,寒鸦栖复惊。第四讲 地球的生物演化与地质年代第一节 地球上的生命起源生命的基本特征就在于蛋白体(目前的理解为类似于原生质的核酸一蛋白质体系)具有的新陈代谢能力。这种能力是任何非生命不具备的，所以生命是物质运动的最高形式。生命(生物)与非生命(非生物界)之间并不存在不可跨越的鸿沟，构成生物体的50多种元素在非生物界里同样存在，说明两者有着共同的物质基础。生物是非生物演化到特定阶段的产物。地球完成初始圈层分异后，随着地表温度下降到3000C，地球表层已经存在原始地壳(硅镁质玄武岩为主)、原始水圈(呈强酸性)和原始火山气圈(以大量水蒸气、H2、CO、NH3、CH4、H2S

2、等为主，属于还原环境)。英国人米勒(SLMiller，1953)通过玻璃容器中上述混合气体的放电实验，获得了氨基酸等简单有机物(图24)。原始地球表面在紫外线、电离辐射和雷电作用下也完全可以形成这些有机物，已经不再有人怀疑。这些有机物汇聚到原始海洋之中，有人比喻为“生命培养汤”。在经过地壳环境的热聚合等作用促进下，逐渐由氨基酸一类蛋白质一蛋白质，真正蛋白质合成的出现，就完成了向原始生命进化的飞跃。有生命的原生质是一种非细胞的生命物质，进一步的演化是形成具有保护功能的外膜，成为具有更完备生命特征的细胞，从而进入了地球历史中生物界和非生物界共同发展的新时代。地球上最古老生命的记录(化石)，已在南非

3、巴布顿地区和澳大利亚西部的燧石(一种与海底热液喷发有关的SIO2胶体在海洋中沉淀形成的岩石)层中发现，主要是球状和棒状的单细胞细菌化石。由于燧石的同位素年龄测定前者为38108a，后者为35108a，可推论当时地球上的单细胞生物已经出现(地球科学上称为太古宙早期)。在此发现之前有人从地球化学角度依据12C、13C碳同位素比率(仅13C与生命物质有关)，也可以推论出地球的生命开始于38108a前。地球上自出现原始生命至现在丰富多彩的生物圈大干世界，无论在生物门类、属种数量、生态类型和空间分布等方面都经历了巨大的变化。因此，生物圈的形成和发展也经历了漫长和复杂的历史，我们可将其简单划分为六个阶段。

4、一、厌氧异养原核生物阶段38亿年前出现的原始生物，根据当时的大气圈、水圈和岩石圈物理、化学条件，推测应属还原条件的厌氧异养原核生物类型，即还没有细胞核膜分异，不能自己制造食物，主要靠分解原始海洋中丰富的有机质和硫化物以获得能量，并营造自身(或称化能自养)。太阳系类地行星上如果存在生命，很可能也属于此类型。这种生物受到地表特殊环境空间分布的局限，不可能覆盖全球，地球生物圈没有形成。二、厌氧自养生物出现和生物圈初步形成海洋中特殊部位有机物和硫化物的生产量是有限的，异养生物繁殖到一定程度就会面临“食物危机”。环境压力促进了生命物质的变异潜能，从而演化出厌氧自养原核生物新类型。尤其是能进行光合作用的蓝

5、细菌，可以还原C0。产生O。，合成有机化合物；在生态方式上也转变为浮游于海洋表层，从而可以扩散到全球海洋和陆地边缘浅水带，标志着地球生物圈的初步形成。三、真核生物出现和动物界爆发演化随着大气中氧含量逐渐增加，喜氧生物开始代替了厌氧生物的主体地位。由于有氧呼吸捕获能量的效率高出无氧呼吸约19倍，明显提高了新陈代谢速度，导致了细胞核与细胞质分化的真核生物新类型出现。真核生物出现了有性生殖、多细胞体型特征，并开始了动、植物的分异。我国燕山山脉的蓟县串岭沟地区已经发现距今175亿年的真核生物，证明这次飞跃大约发生在18亿年前后。真核生物在全球的繁盛期大约在10亿年前。地球上软躯体动物的首次爆发演化发生

6、于6亿年前后，最早发现于澳大利亚南部伊迪卡拉山，这类动物被称为伊(埃)迪卡拉动物群(图42)。它们的形态和水母(腔肠动物)、蠕虫(环节动物)和海绵(海绵动物)等相似，但这些裸露动物不存在摄食和消化器官，是一种营自养生活的特殊生物门类，根本不同于显生宙出现的动物类型。该动物群呈爆发式突然出现，延续不久又发生整体规模大量绝灭。有壳动物的出现和突发演化，出现在54亿年前。1984年中国云南昆明附近的澄江地区发现了举世罕见的澄江动物群，被比喻为寒武纪生物大爆发事件。澄江动物群是由真正的节肢动物(三叶虫)、腔肠动物(水母)、环节动物(蠕虫)和其他门类组成，外形虽与伊迪卡拉动物群有些相似，但体腔内部器官结

7、构明显不同，代表动物界演化进程中采取躯体立体增长和内部器官复杂化的另一途径四、陆生生物发育和全球生物圈建立自从地球上出现生命以来，古代海洋一直是生物界生存、发展的摇篮和生活家园。但从距今4亿年前起发生了重要转折，原始陆生植物和淡水鱼类在滨海平原和河湖、河口环境大量繁盛，开创了生物占领陆地的新时代。生物圈的空间范围也首次由海洋伸向陆地。至37亿年前，半干旱气候下河湖、水塘的周期性干涸，促进了某些鱼类逐渐演变为两栖类。距今3亿年前后，出现茂密高大的森林，而且能适应热带、亚热带至冷温带不同的气候条件，在地质历史上第一次出现成煤作用高峰期。与此同时，动物界中出现了通过羊膜卵方式在陆上繁殖后代的爬行类。

8、在25亿年前后，全球范围古地理、古气候环境发生了显著变化。海洋中的动物界发生最大的集群绝灭事件，陆地动、植物界也发生了重要变化，原先适应近水环境潮湿气候的两类和石松类、节蕨类等明显衰减，被更为进化的爬行类和裸子植物所取代。五、爬行类和裸子植物天地25亿年至65百万年阶段被称为裸子植物时代和爬行动物(尤以恐龙类最为著名)时(见图44)。我国四川盆地发现距今约16亿年的马门溪龙(一种素食的晰脚类恐龙)，身长到22m，体重估计有3040t。我国辽宁北票四合屯等地近年发现了侏罗、白垩纪之交世界最丰富的原始鸟类动物群(孔子鸟等)。中生代陆生爬行动物的另一个演变方向是重返海洋生活，出现了体型适合游泳的鱼龙

9、、颈龙等类型。六、哺乳动物阶段和人类出现距今65百万年左右，出现了地球内外圈层多种重大灾害事件，地球上生物界面貌又一经历巨大变化。恐龙等爬行动物和浅海浮游生物(浮游有孔虫和超微化石藻)绝灭。从65百年以来开始了以哺乳动物和被子植物为主宰的阶段。该阶段生物界演化中最重要的事件是今250万年前后人类的出现。第二节 地质年代的确定与地质年代表 研究地球及地壳的发展演化历史是地质学的重要任务之一。在长达46亿年的漫长地质历史中，地球上经历了一系列的地质事件，如生物的大规模兴盛与灭绝、强烈的构造运动、岩浆活动、海陆变迁等。地球的发展演变历史正是由这些地质事件所构成的。所以，要研究地球或地壳的历史，其中最

10、重要、最基础的工作是必须确定这些地质事件的发生年代。 地质年代(geologic time)就是指地球上各种地质事件发生的时代。它包含两方面含义：其一是指各地质事件发生的先后顺序，称为相对地质年代；其二是指各地质事件发生的距今年龄，由于主要是运用同位素技术，称为同位素地质年龄。这两方面结合，才构成对地质事件及地球、地壳演变时代的完整认识，地质年代表正是在此基础上建立起来的。一、相对地质年代的确定 岩石是地质历史演化的产物，也是地质历史的记录者，无论是生物演变历史、构造运动历史、古地理变迁历史等都会在岩石中打下自已的烙印。因此，研究地质年代必须研究岩石中所包含的年代信息。确定岩石的相对地质年代的

11、方法通常是依靠下述三条准则。 (一)地层层序律 地质历史上某一时代形成的层状岩石称为地层(stratum)。它主要包括沉积岩、火山岩以及由它们经受一定变质的浅变质岩。这种层状岩石最初一般是以逐层堆积或沉积的方式形成的，所以，地层形成时的原始产状一般是水平的或近于水平的，并且总是先形成的老地层在下面，后形成的新地层盖在上面，这种正常的地层叠置关系称为地层层序律(图4-5)。它是确定同一地区地层相对地质年代的基本方法。当地层因构造运动发生倾斜但未倒转时，地层层序律仍然适用，这时倾斜面以上的地层新，倾斜面以下的地层老。当地层经剧烈的构造运动，层序发生倒转时，上下关系则正好颠倒。 (二)化石层序律 地

12、层层序律只能确定同一地区相互叠置在一起的地层的新老关系，要对比不同地区的地层之间的新老关系时就显得无能为力了，这时，地质学上常常利用保存在地层中的生物化石来确定。 地质历史上的生物称为古生物，化石(fossil)是保存在地层中的古代生物遗体和遗迹，它们一般被钙质、硅质等充填或交代(石化)。1819世纪，古生物学家与地质学家通过对不同地质历史时期的古生物化石的详细研究，终于得出了对生物演化的规律性认识生物演化律，即生物演化的总趋势是从简单到复杂，从低级到高级；以往出现过的生物类型，在以后的演化过程中绝不会重复出现。前一句反映了生物演化的阶段性，后一句反映了生物演化的不可逆性。这一规律用来确定地层

13、的相对地质年代时就表现为：不同时代的地层中具有不同的古生物化石组合，相同时代的地层中具有相同或相似的古生物化石组合l古生物化石组合的形态、结构愈简单，则地层的时代愈老，反之则愈新。这就是化石层序律或称生物群层序律。利用化石层序律不仅可以确定地层的先后顺序，而且还可以确定地层形成的大致时代。图4-6是利用化石层序律对比甲、乙、丙3个地区的地层新老关系的例子，通过对比可建立统一的综合地层层序图。(三)地质体之间的切割律 上述两条准则主要适用于确定沉积岩或层状岩石的相对新老关系，但对于呈块状产出的岩浆岩或变质岩则难以运用，因为它们不成层，也不含化石。但是，这些块状岩石常常与层状岩石之间以及它们相互之

14、间存在着相互穿插、切割的关系，这时，它们之间的新老关系依地质体之间的切割律来判定，即较新的地质体总是切割或穿插较老的地质体，或者说切割者新、被切割者老。如图4-7显示了几个地质体之间的切割及其新老关系。 相对地质年代只表示了地质事件或地层的先后顺序，即使是利用古生物化石组合的方法，也只能了解它们的大致时代。要更确切、更全面地了解地球的发展史，除了知道各种地质事件的先后顺序及大致时代外，必须定量地知道地质事件究竟发生在距今多少年的时候?延续的时间有多长?地质事件的剧烈程度或作用速率怎样?以及地球形成的确切年龄、地球或地壳发展演化的细节等等。所以，以年为单位来测定绝对地质年龄长期以来深受地质学界的

15、重早在19世纪，人们就已开始探索绝对年龄的计算方法。例如，有人曾根据沉积岩的厚度和沉积作用的大致速率来估算地球的年龄；还有人设想海水是由淡变咸的，然后根据现代海洋中的总含盐量与流水每年从陆地带入海洋的盐量来估算地球的年龄等等。这些方法显然都是很原始的和不准确的，其结果当然也毫无意义。19世纪末，放射性同位素的发现，为测定岩石的绝对年龄提供了科学方法，这种方法主要是利用放射性同位素的蜕变规律，因此被称为同位素地质年龄测定法。 放射性元素在自然界中自动地放射出(粒子)、(电子)或(电磁辐射量子)射线，而蜕变成另一种新元素，并且各种放射性元素都有自已恒定的蜕变速度。同位素的衰变速度通常是用半衰期(T

16、12)表示的。所谓半衰期，是指母体元素的原子数蜕变一半所需要的时间。例如，镭的半衰期为1 622年，如果开始有10 g镭，经过1 622年后就只剩下5 g；再经过1 622年仅只有25 g依此类推。因此，自然界的矿物和岩石一经形成，其中所含有的放射性同位素就开始以恒定的速度蜕变，这就像天然的时钟一样，记录着它们自身形成的年龄。当知道了某一放射元素的蜕变速度(T12)后，那么含有这一元素的矿物晶体自形成以来所经历的时间(t)，就可根据这种矿物晶体中所剩下的放射性元素(母体同位素)的总量(P)和蜕变产物(子体同位素)的总量(D)的比例计算出来。其公式如下： t=1/(1+D/P)式中为蜕变常数，与

17、蜕变速度(T12有关。关系式为=O639T12，通常是在实验室中测定；P、D值可用质谱仪测出。 自然界放射性同位素种类很多，能够用来测定地质年代的必须具备以下条件： 具有较长的半衰期，那些在几年或几十年内就蜕变殆尽的同位素是不能使用的；该同位素在岩石中有足够的含量，可以分离出来并加以测定；其子体同位素易于富集并保存下来。表4.l 用于测定地质年代的放射性同位素 母体同位素 子体同位素 半衰期(T12) 有效范围 测定对象铷(87Rb) 铀(238U)铀(235U)钍(232Th)钾(14K)碳(14C)钐(150Sm)氩(40Ar)锶(87Sr)铅(206Pb)铅(207Pb)铅(208Pb)

18、氩(40Ar)氮(14N)钕(144Nd)氩(39Ar)500亿a 45.1亿a 7.13亿a 139亿a 14.7亿a 5692 a T0108a T0108a T0108aT0108aT0-104 a 50000a今云母、钾长石、海绿石晶质铀矿、锫石、独居石、黑色页岩云母、钾长石、角闪石、海绿石 表42 地质年代表有机碳、化石骨骼云母、钾长石、角闪石、海绿石三、地质年代表19世纪以来，地质学家和古生物学家，通过对全球各个地区新老不同的地层进行对比研究，特别是对其中所含的古生物化石的对比研究，逐渐认识到地球和地壳在整个发展进程中，生物界的演化及无机界的演化均表现出明显的自然阶段性。于是，他们

19、以地球演化曾这种自然阶段性为依据，配合同位素地质年龄的测定，对漫长的地质历史进行了系统性的编年与划分，编制出一个在全球范围内能普遍参照对比的年代表，即地质年代表(表42)。地质年代表的建立是地质学研究的重要成果，它为推进地质学的发展起到了重要作用，成为现代地质学必不可少的重要基础。 (一)地质年代单位及地层单位的划分 地质年代单位的划分是以生物界及无机界的演化阶段为依据的，这种阶段的延续时间常常在百万年、千万年甚至数亿年以上，并且常常是大的阶段中又套着小的阶段，小的阶段中又包含着更小的阶段。根据这种阶段的级次关系，地质年代表中划分出了相应的不同级别的地质年代单位，其中最主要的有宙、代、纪、世四

20、级年代单位。 “宙”是最大一级的地质年代单位，它往往反映了全球性的无机界与生物界的重大演化阶段，整个地质历史从老到新被分为冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙4个宙，每个宙的演化时间均在5亿年以上。 “代”是仅次于“宙”的地质年代单位，它往往反映了全球性的无机界与生物界的明显演化阶段。每个代的演化时间均在5 000万年以上。 “纪”是次于“代”的地质年代单位，它往往反映了全球性的生物界的明显变化及区域性的无机界演化阶段。每个纪的演化时间在200万年以上。 “世”是次于“纪”的地质年代单位，它往往反映了生物界中科属，的一定变化。每个纪一般分为早、中、晚3个世或早、晚2个世。但在第三纪与第四纪中，世的名

21、称比较特殊。 与上述各级地质年代单位相对应的年代地层单位为：宇、界、系、统，它们是在各级地质年代单位的时间内所形成的地层： 如显生宙时期形成的地层称为显生宇；古生代时期形成的地层称为古生界，寒武纪时期形成的地层称为寒武系等等，依此类推。 此外，有些地区，常因化石依据不足或研究种度不够等原因，只能按地层层序、岩性特征及构造运动特点来划分地层单位，称为区域性地层单位或岩石地层单位。岩石地层单位一般包括群、组、段3级。“群”是最大的岩石地层单位，其范围可相当于统一系不等，有时甚至可大于系，群与群之间常有明显的地层不整合面分开；“组，一般是指岩性较均一或几种岩性有规律组合在一起形成的岩石地层单位，其范

22、围通常小于或等于统；“段”是最小的岩石地层单位，通常反映一个组中具有相同岩性特征的某个特殊层位。 （一)地质年代表及其生物特征 按地质年代由老到新依次简要介绍如下： 冥古宙(Hadean Eon) 具有“开天劈地”之意，是地球发展的初期阶段，目前在地球表面尚未见到或确证这一时期形成的大量岩石，这可能是该时期的地表岩石绝大部分已被后期改造的缘故。太古宙(Archaeozoic Eon) 是已有大量岩石记录的最古老地质年代，这一时期的岩石一般是变质程度很高的变质岩，这一时期的生物仅有极原始的菌藻类。 元古宙(Proterozoic Eon) 为较古老的地质年代，这一时期的岩石记录已十分普遍，元古宙

23、包括古元古代、中元古代和新元古代3个代。其中，中元古代和新元古代在我国被分为4个纪，由老到新依次为： 长城纪(Changcheng Period)名称来自于我国的万里长城； 蓟县纪(Jixian Period) 名称来自于我国天津市的蓟县； 青白口纪(Qingbaikou Period)名称来自于我国北京市附近的青白口镇； 震旦纪(Sinian Period) “震旦”是我国的古称。 这4个纪的地层在我国比较发育，研究较详细，因此我国地质学家用我国的名称给予了命名，但仅在国内通用，尚未得到国际公认，其它国家还有不同的名称。元古宙的生物主要为各种原始的菌藻类，包括蓝藻、绿藻、红藻及一些细菌，此外

24、还有少量海绵动物、水母及蠕虫等(图4-8)。显生宙(Phanerozoic Eon) 是开始出现大量较高等生物以来的阶段，它包括地球最近57亿年的历史，其中又分为古生代、中生代和新生代。 、 古生代(Palaeozoic Era) 意为“古老生物”时代，包括6个纪，由老到新依次为： 寒武纪(Cambrian Period)“寒武”是英国威尔士的古称，这一地质时期的地层在威尔士研究得最早； 奥陶纪(Ordovicean Period)“奥陶”是英国威尔士一个古代民族的名称，该时期地层也是在威尔士最早研究的； 志留纪(Silurian Period) “志留”是曾经生活在英国威尔士边境的一个古代部

25、族的名称，在该边境地区最早研究了这一时期的地层；泥盆纪(Devonian Period) 该时期的地层在英格兰的泥盆郡研究得最早I石炭纪(Carboniferous Period) 因该时代地层中富含煤层得名，该名创于英国；二叠纪(Permian Period) 最早研究的该纪地层出露于乌拉尔山西坡的彼尔姆城(Perm)，按音译应用彼尔姆纪，但因该地层具有明显二分性故按意译为二叠纪。其中寒武纪、奥陶纪和志留纪为早古生代，泥盆纪、石炭纪和二叠纪为晚古生代。早古生代是海生无脊椎动物繁盛的时代，包括三叶虫、珊瑚、海绵动物、苔藓虫、腕足类、笔石类、水母、海百合等(图4-9)。早古生代后期开始出现鱼类，到早古生代末期，原始的植物开始登陆，但主要是一些在海边生存的半陆生低等植物。在晚古生代，虽然海生无脊椎动物仍较繁盛，但脊椎动物的发展表现更为突出。早古生代晚期出现的鱼类，在泥盆纪得到充分发展，并在泥盆纪晚期逐渐演化成原始两栖类，开始了动物登陆的历史。石炭纪是两栖类的繁盛时代，石炭纪中、晚期开始出现原始的爬行类。在二叠纪爬行动物得到进一步发展。晚古生代陆生植物群的蓬勃发展，成为其生物界的又一显著特征。这一时期主要为蕨类孢子植物，泥盆纪时期开始出现小型森林，到了石炭、