第十章地壳历史的研究方法

第十章

地壳历史的研究方法

第一节

地史的研究方法一、地层的划分和对比（一）地层的划分的依据（二）地层的对比二、岩相古地理分析（一）沉积相的分类（二）岩相分析的主要根据（三）岩相分析的原则——现实类比方法（四）古地理图三、构造历史分析第二节

地层系统一、岩性地层单位二、年代地层单位三、地质时代单位四、地层符号地壳的发展历史简称地史。第一节

地史的研究方法一、地层的划分和对比地层:是在地壳发展过程中形成的各种成层岩石的总称，包括变质的和火山成因的成层岩石在内。地层层序地层上下或新老关系（一）地层的划分的依据1.沉积旋回和岩性变化

2.岩层接触关系

3.古生物（化石）

第十章

地壳历史的研究方法

（二）地层的对比地层的对比是指不同地区的地层进行时代的比较。在地层对比的基础上才能了解广大地区的地史发展过程的共性和异性，才能具体认识地层区域性特征，了解地层空间分异的情况。地层对比客观标准--地质年代二、岩相古地理分析各时代的地层进行岩相分析，就可以基本恢复古地理环境。（一）沉积相的分类根据沉积环境可以把沉积地层分为海相（1）滨海相发育于低潮线和高潮线之间（2）浅海相存在于海面到海面下200m左右的浅海地区，约相当于大陆架上的海洋部分。（3）半深海相和深海相存在于半深海（海面下约200—2500m）和深海（约2500m以下）地区，即相当于大陆坡及海盆底地带。过渡相陆相。（二）岩相分析的主要根据1.生物化石

珊瑚化石指示清澈温暖的浅海环境;破碎的贝壳指示滨海环境；植物化石往往指示陆相环境，而不同的植物又反映不同的气候，如苏铁表明气候湿热，而银杏表明气候温和等。

2.岩性特征和结构

红色岩层指示氧化环境；黑色页岩并含黄铁矿指示还原环境；交错层、不对称波痕等反映流动浅水地区；干裂反映滨海、滨湖等环境；鲕状赤铁矿和石灰岩代表温暖气候条件下的动荡浅海环境；竹叶状灰岩代表波浪作用所及的潮上和潮间带、浅海环境，有的还可表示风暴环境；盐假象表示气候干燥环境等等3.特殊矿物

海绿石代表较深浅海环境；石膏、石盐等代表干燥环境；白云岩（指形成于古生代以后者）并少含化石往往代表咸化海或潟湖环境，等等。（三）岩相分析的原则——现实类比方法1.自然界演化的不可逆性

2.时间因素

3.沉积物的后生变化

（四）古地理图于一定地区一定时代的地层进行岩相分析之后，把当时的海陆分布、地形、气候等情况综合起来绘成图件，就是古地理图。第二节

地层系统地层划分系统可有两类：岩性地层分类系统:区域性或地方性的，以岩性变化为主的地层划分，群、组、段

年代地层分类系统:国际性的、全国性或大区域性的，以时代为准的地层划分，地层单位为宇、界、系、统、阶相对应的地质时代为宙、代、纪、世、期四、地层符号（一）宇的符号用两个大写字母表示，如冥古宇（Hadean）

HD太古宇（Archaean）

AR元古宇（Proterzoic）

PT显生宇（Phanerozoic）

PH（二）界的符号用两个字母表示，第一个大写，第二个小写，如古生界（Paleozoic）

Pz中生界（Mesozoic）

Mz新生界（Cenozoic）

Cz（三）系的符号一般用一个大写字母表示，如志留系（Silurian）

S泥盆系（Devonian）

D（四）统的符号一般在系的符号右下角加阿拉伯数字1、2或1、2、3字样，分别代表下统和上统，或下统、中统和上统，如

（五）阶、群、组、段的符号阶的符号是按照汉语拼音方案，采取阶名的第一个字母或两个字母，放在统的符号之后（小写正体）。在同一个统内，阶名第一字母有重复时，时代较老的阶用一个字母；较新的阶则在第一个字母后再加一个最接近的子音字母。例如：下太古界密云群

Ar1m第十一章

前寒武纪——太古宙和元古宙指寒武纪或古生代以前即距今5.7亿年以前的地质时代，是地球历史最早的地质阶段。地球的年龄为46亿年，大约从40亿年前开始进入地质阶段，故前寒武纪时距约为34亿年，约占地质历史85％的时间。

表11-1

元古宙年代划分和主要地质特征

第一节

太古宙

一、太古宙的一般地史特征太古宙大约经历了十多亿年（38—25亿年）的时间，已经形成了薄而活动的原始地壳，出现了水圈和气圈，蕴育和诞生了低级的生命。（一）缺氧的气圈及水体从太古宙，在地球表面虽然已经形成了岩石圈、水圈和大气圈，但它们的性质和规模跟后来的有明显不同。海水中所含的盐类比现在要低，富含氯化物。大气成分以水蒸气、二氧化碳、硫化氢、氨、甲烷、氯化氢等为主。由于岩浆活动强烈，又无植物进行光合作用，故大气中CO2含量比后来要高。太古宙地层中含有丰富的普遍的由低价铁沉积而成的铁矿，这些都说明当时大气组分和水体性质都处于缺氧的还原状态。（二）薄弱的地壳和频繁的岩浆活动由于地壳厚度较小，幔源物质容易沿裂隙上行，常有大规模的超基性、基性断裂喷溢活动，并和硬砂岩、泥岩等一起经变质形成特殊火山沉积组合的绿岩带。此外，也有频繁的中酸性岩浆活动和火山活动，花岗岩、片麻岩、混合岩等常与绿岩带相间排列。由于地壳岩石强度较低，地热梯度较高，因而岩层中多塑性变形构造（如揉皱、肠状褶皱等）。（三）岩石变质很深在漫长的时间中，多次的岩浆活动、构造运动，使岩石普遍发生热变质、深变质（区域变质），和强烈的混合岩化，改变了原来的岩相特征，再加上缺少生物化石，因而给恢复古地理面貌和沉积环境造成很大困难，所以对地层划分受到很大限制。（四）海洋占绝对优势在当今大陆壳的范围内，长期处于活动不稳定状态，陆表海占绝对优势，海底喷溢活动频繁而强烈。陆地面积不大，又不十分稳定，所以不易形成分异充分的沉积。（五）陆核形成陆壳经过多次的岩浆喷出侵入，变质混合，塑性变形，某些局部地方开始固结硬化，向着稳定方向发展，终于在太古宙中、晚期形成了稳定的基底地块——陆核。但规模仍比后来的地台小得多（图11-1）。陆核的形成标志着地壳构造发展的第一大阶段的结束。（六）原始生命萌芽大约经过十几亿年，地球上有了水和空气以后，才出现最原始的生物。最古老的生物化石是在南非发现的32亿年前的超微化石——古杆菌和巴贝通球藻（利用电子显微镜观察）。这是最原始的原核生物，整个个体只有一个细胞组成，

（七）构造运动在世界范围内可能有3次主要构造运动。在中国比较确认的是太古宙晚期的阜平运动。此时期缺少板块构造运动的证据，多数人认为太古宙尚未发生板块运动。目前一些人主张板块构造最早发生于古元古代。二、中国的太古宙地层中国的太古宙地层主要分布于华北及东北南部地区，即东经105°以东，北纬31°—43°之间，构成华北地台的基底（图11-2）。下太古界和上太古界界线为29—30亿年。自北而南，大致可分为三带：北带:燕山东段地区岩层时代最老，称迁西群(下太古界),深变质麻粒岩与片麻岩为主，同位素年龄为31—36亿年（铷锶法），辽吉地区划分为龙岗群和鞍山群，鞍山群属上太古界，下部以角闪片麻岩、黑云母片麻岩等为主；上部是浅粒岩、片岩及磁铁石英岩，形成著名的鞍山式铁矿。晋北、内蒙古阴山一带的太古宇旧称桑干群，现划分为下部的集宁群和上部的乌拉山群，以片麻岩、混合岩、蛇纹大理岩等为主。

中带主要分布于吕梁山、太行山和鲁西地区，太行山地区可以分为阜平群和龙泉关群，二者之间呈不整合接触，称阜平运动（与此运动相当的有建屏运动、鞍山运动、嵩阳运动、铁堡运动等），是我国已知最早的一次构造运动。鲁西地区称泰山群，以黑云母片麻岩、角闪片麻岩、角闪岩及变粒岩等为主，主要由古老的侵入岩变质而成，难以进行地层划分。南带主要分布于关中、豫西、大别山、安徽淮阳地区，呈NW-SE走向，分别称太华群、登封群、大别群等。至于中国西北地区，即东经105°以西、北纬35°—45°之间，也分布有古老变质岩系，但太古宇和下元古界目前尚未进行划分。太古宙主要地层见表11-2。在太古宙地层分布地区，当时有强烈的超基性、基性以至中酸性火山活动，并有普遍的硅铁质沉积或碳酸盐岩沉积。但是到了早太古代末，这些活动地区逐渐形成陆核。如图11-3所示：计有4个古陆核，它们是吉（林）南（部）陆核、冀东陆核、河套陆核和鲁中陆核。到了太古宙末，这些陆核又进一步发展扩大。而在陆核的边缘及各陆核之间，则为继续活动的地槽区：如北部边缘为内蒙古地槽，东部边缘为胶辽地槽，南部边缘为豫皖地槽，斜贯南北为山西地槽等。太古宙地层中含有重要的矿产，其中尤以铁矿具有世界性的普遍意义。例如，辽宁鞍山一带的鞍山群中含磁铁石英岩，铁矿与石英交互成层，呈条带状，品位较低，但层位稳定，储量较大，常构成大型及特大型铁矿床。这种矿床称鞍山式铁矿。此外，如本溪、北京密云群、冀东迁西、吕梁等大铁矿，均产于太古宙地层中。在国外，如北美苏必利尔湖铁矿，南美圭亚那铁矿，北欧瑞典的基隆纳铁矿，澳大利亚西部的铁矿，南非卡普瓦尔陆核和印度铁矿山区的铁矿等，都是产于太古宙地层的著名铁矿。这类铁矿属于沉积变质铁矿，占世界铁矿总储量的60％，太古宙及其以后的早元古代是世界性的重要铁矿成矿期之一。与古地理环境如沉积介质条件、火山活动以及细菌作用等分不开。在太古宙时，陆壳表面大部分被海水覆盖，由于大气及水体中富含CO2，海水中HCO3浓度较大，从而增加岩石的溶解能力及水体的化学搬运能力，使低价铁源源不断地经过溶解汇入海盆。但当时毕竟陆地规模较小，因此，推测频繁的海底火山活动是铁矿物质的主要来源。同时因当时大气及水体处于缺氧还原条件下，低价铁可以长期积累和运移，使其分布的范围广远。然而，这些低价铁必须变成高价铁才能导致沉淀，无疑这与当时的还原性水介质形成矛盾。P.克劳德认为，后来在水体中可能出现大量放氧的生物（如细菌），生物的放氧量恰好可以使水体中的低价铁氧化成高价铁而沉淀，使氧化还原处于平衡状态。这样既可保持成矿作用的继续进行，又可维持低级生物的生存，从而造成地史上这种特殊类型铁矿床广泛形成。这类铁矿当时是氢氧化铁和胶体SiO2（蛋白石类）同时沉积，所以称硅铁沉积（BIF）。后来遭受区域变质作用，使氢氧化铁脱水和重结晶变成磁铁矿或赤铁矿，胶体SiO2变成石英，结果使原来致密隐晶质的铁质碧玉岩变成条带状磁铁（赤铁）石英岩。几乎在所有古地块的有关地层中皆形成石英脉金矿（与花岗岩侵入有关），如澳洲西部、南非和北美。我国山东招远、河北遵化、青龙等地也都产金矿。在后期侵入的伟晶岩中常有锂、铋、钨、锡以及白云母、稀有元素、稀土元素等（如内蒙古）。在侵入的基性及超基性岩中常有镍、铬、铜等矿床，如美国的苏必利尔湖区和南非的津巴布韦等。我国河北大庙有钒钛磁铁矿、山西中条山有大型铜矿等。另外，南非和加拿大等古老岩系中皆有铀矿。第二节

元古宙

一、元古宙的一般地史特征同位素年龄从25—6或（5.7）亿年，共经历19亿年的悠久时间。元古宙划分为3个代。25—18亿年为古元古代，18—10亿年为中元古代，10—6或（5.7）亿年为新元古代。其中新元古代的后半段，即8—6或（5.7）亿年单划分称震旦纪。元古宙的地史具有下述特征。（一）从缺氧气圈到贫氧气圈由于藻类植物日益繁盛，它们营光合作用不断吸收大气中的CO2，放出O2，使气圈和水体从缺氧发展到含有较多氧的状态。大约从中元古代开始，地层有含铁紫红色石英砂岩（如常州沟组、大虹峪组等）及赤铁矿层（如串岭沟组宣龙式铁矿）形成，说明当时大气中已含有相当多的游离氧。大气及水体中氧的增多，不仅影响岩石风化及沉积作用的方式及进程，而且也给生物发展和演化准备了物质条件（参阅表11-1）。（二）从原核生物到真核生物太古宙已出现菌类和蓝绿藻类，到元古宙得到进一步发展。经生物作用和沉积作用形成综合体。这种综合体常保存在石灰岩和白云岩中。从横剖面上看呈同心圆状、椭圆状等。从纵剖面上看呈向上凸起的弧形或锥形叠层状，就象扣放着的一摞碗，称做叠层石（图11-4）。叠层石主要分布于滨海的潮间带和潮上带，有的能分布于潮下100m深处。在元古宙地层中分离出形体微小的（常小于10μm）微古植物，主要指一些单细胞藻类。到了晚元古代，微古植物形体增大（50—100μm），种类繁多。大约从中元古代起还出现了褐藻及红藻等高级藻类。近年在中国北部中元古代串岭沟组地层中发现最古老的真核细胞生物化石，名为丘阿尔藻（Chuaria），距今16—17亿年。1978年在中元古代雾迷山组中也发现真核生物化石，命名为震旦塔乌藻（Tawuia），距今12—14亿年。这些单细胞藻类，分类位置尚不明，总称为疑源类（Acritarcha）。太古宙从无生命到有生命，是生物演化史上的一次飞跃，而元古宙则是从原核生物到真核生物，从单细胞到多细胞，标志着在地球发展史和生命演化过程中进入一个新阶段（参阅表11-1）。（三）由陆核到原地台和古地台

在太古宙晚期的构造运动即阜平运动之后，中国和世界大陆上都出现了小规模的稳定核心，称为陆核，这是陆壳构造发展的第一阶段。早元古代中期的构造运动，在中国称五台运动；早元古代晚期的构造运动，在中国称吕梁运动。通过这些运动，在原地台上开始沉积了类似盖层的沉积类型。由于沉积、喷发、侵入、挤压、褶皱、变质、固结等作用反复进行，陆壳某些部分更趋稳定，到中元古代晚期原地台进一步扩大，在世界上终于出现了若干大规模稳定的古地台（参阅图11-11）。由陆核到原地台和古地台，是陆壳构造发展的第二个阶段。（四）古元古代地层和中、新元古代地层有很大区别

从岩石性质看，古元古代地层即下元古界往往和上太古界具有共性，多属活动类型沉积和浊流沉积变质而成的绿岩系，同时和上太古界一样，常含有规模巨大的铁矿床，性质和鞍山式铁矿近似，以低价铁为主，反映当时大气和水体的缺氧状态。下元古界（Pt1）和上太古界（Ar2）共同构成地台的基底。到了中、新元古代，原地台已经出现，出现了稳定地台浅海，真核及藻类生物繁盛，大气及水体中含氧量增加，红层、高价铁、碳酸盐等沉积出现，形成地台盖层，因此，中元古界（Pt2）特别是上元古界（Pt3）震旦系（Z）已经属于盖层沉积的范畴。二、中国的元古宙古地理和地层

（一）古元古代中国北方已经形成华北原地台，南方形成扬子原地台，西部则形成塔里木原地台。在华北地区，在初步固结的基础上，发生断裂拗陷，形成了以滹沱群为代表的碎屑-火山沉积和含叠层石的白云岩沉积；在五台-太行山地区则形成造山后的磨拉石堆积。这些都属于地槽活动型堆积。在河南则形成嵩山群，在安徽形成凤阳群，它们都属于稳定类型，以分选较好的碎屑岩、碳酸盐等为主，很少有火山岩。上述沉积经过褶皱夷平，上面为中、新元古界不整合覆盖，这个不整合面分布广泛，即吕梁运动。华北地区经吕梁运动后，进一步固结，形成华北原地台。表11-3

中国元古宇地层划分和特征简表（据李廷栋）

（二）中元古代和新元古代华北地区的中上元古界，当初称为震旦系（北方型），其涵义指角度不整合于前震旦系变质岩之上，位于含丰富化石寒武系之下的一套不变质或轻微变质的沉积岩系而言。同位素年龄为18—10亿年（或19.5—10亿年），其层位位于南方震旦系之下。1975年把北方的震旦系划分为长城系、蓟县系和青白口系，再加上南方的震旦系合称震旦亚界。1979年第二届全国地层会议认为叫震旦亚界不妥；1982年7月全国地层委员会召开晚前寒武纪地层分类命名会议，认为“震旦系”和“震旦亚界”不能同时并存，废除“震旦亚界”一名，将“震旦系”一名限用于湖北省长江西陵峡东部剖面为代表的一段晚前寒武纪最上部的一个系一级的年代地层单位。北方以蓟县剖面为代表的一套晚前寒武纪地层，自下而上仍沿用长城系、蓟县系、青白口系三个地层单位名称。

三、中国元古宙的矿产

（一）铁矿中元古代，在华北地区，特别是沿内蒙古古陆的南侧，沉积了大量浅海相鲕状和肾状赤铁矿。以河北宣化、龙关一带的宣龙式铁矿最为典型。矿层位于长城系串岭沟组底部（图11-8，11-9），多为富矿。这些都是吕梁运动后，古陆经长期风化和剥蚀作用，铁质在滨海地区不断富集形成沉积赤铁矿。在燕山地区的蓟县系铁岭组中，也可见到沉积赤铁矿，称四海式铁矿（因北京延庆四海而命名）。在青白口系下马岭组底部，有时也存在一层不规则的风化壳型铁矿。（二）锰矿在华北地区长城系高于庄组中下部，常夹有一层锰矿或含锰页岩及含锰灰岩。如在蓟县高于庄组中有含锰带，称蓟县式锰矿，但多为低品位。除此，在蓟县系铁岭组中部，含铁锰，在辽宁朝阳瓦房子一带形成锰矿层，称瓦房子式锰矿。（三）其他在苏北东海锦屏山、皖北大别山等处，下元古界变质岩中形成重要磷矿，称东海式磷矿。在北方长城系串岭沟组和大虹峪组中常含有含钾层位（绿色海绿石页岩）。在豫北发现含钾页岩矿床，即位于串岭沟组中。最近，在华北平原掩覆下的雾迷山组白云岩中发现储藏大量石油，如华北油田（河北任丘）最早发现古潜山油田，这些含油古潜山就是由雾迷山组白云岩构成的。第三节

震旦纪

震旦纪距今8—6（5.7）亿年，属于新元古代的晚期。震旦为中国之古称，作为地层专名,1924年李四光、赵亚曾在长江三峡地区建立完整的震旦系剖面；后来高振西等在蓟县建立了华北地区的震旦系标准剖面。近年用同位素测定，北方的震旦系年龄为18—10亿年；而南方震旦系则为8—6亿年，二者不是同时关系而是上下关系。当今以兴隆蓟县剖面为代表的原震旦系已划归中、上元古界。本节所说的震旦纪是指以长江三峡剖面为代表的震旦纪，属于新元古代最后期的一个纪，是从元古宙向古生代寒武纪过渡的一个纪，也是在中国命名并向国际推荐的一个纪一级的地质年代单位。震旦纪形成的地层为震旦系（Z），震旦纪划分为早、晚两个世，相应地层为下、上两个统（Z1，Z2）。一、世界古地理基本轮廓

到了元古宙末期即震旦纪，大陆壳已经形成为许多大规模的稳定的部分——古地台。构成古地台基底的岩石都是变质的岩石，如各种片麻岩、角闪岩、混合岩、片岩、千枚岩、大理岩、石英岩等，厚度很大，其中经常穿插着各种侵入体。这些古地台，有的部分到后来一直屹立于海面之上，未接受新的沉积，构成地盾部分；但大部分又经历了多次沧桑变化，为以后的盖层所覆盖，一般认为从震旦纪开始，才在稳定的地台上发育了稳定类型的盖层全世界形成的古地台①有Ⅰ.中国地台（主要包括华北地台，塔里木地台，扬子地台）；Ⅱ.西伯利亚地台（又称安卡拉地台）；Ⅲ.俄罗斯地台（又称东欧地台，包括俄罗斯、波罗的海沿岸、芬兰及斯堪的纳维亚半岛大部地区）；Ⅳ.加拿大地台（又称北美地台，包括美国中北部、加拿大地盾，格陵兰地台）；Ⅴ.巴西地台（又称南美地台，主要包括巴西）；Ⅵ.非洲地台（除去非洲北部及南部，包括非洲的广大地区、马达加斯加岛和阿拉伯半岛地块）；Ⅶ.印度地台（包括印度中南部）；Ⅷ.澳大利亚地台（包括澳大利亚中、西部）。根据南半球地台分布情况及构造特点，上述巴西地台、非洲地台、印度地台和澳大利亚地台是一个稳定的联合古陆，在中生代以前它们还没有分裂，总称冈瓦纳古陆①。二、繁盛藻类和后生动物大量出现早震旦世（距今8—7亿年）大体是继承青白口纪，微古植物群（如各种刺球藻，属种繁多）和宏观藻类非常繁盛，后者在地层中形成多种叠层石。晚震旦世时，澳大利亚南部弗林德斯山伊迪卡拉（Ediacara）发现了丰富的无壳动物，其中以腔肠动物门水母类为主，兼有环节动物及可能属于节肢动物的一些化石，是一个以软躯体后生动物为主体的动物群，称为伊迪卡拉裸露动物群。

三、中国震旦纪古地理轮廓及震旦系震旦纪到来之前，在中国曾发生一次强烈而影响宽广的构造运动，即晋宁运动。受晋宁运动影响，中国古地理形成一种新的格局（图11-12），许多地区隆起为陆，如从西到东，横亘着断续的稳定地带，塔里木地台、柴达木地块、华北地台等几乎连成一体，特别是华北和东北广大地区在震旦纪始终屹立于海面之上，称为华北古陆。中国南部的扬子地台，也出露于海面之上，称为扬子古陆，和其东部的淮扬古陆等连在一起。古陆的周围或边缘，则是拗陷活动地带，北边是天山-蒙古-兴安地槽，南边是昆仑地槽、祁连地槽、秦岭地槽。扬子古陆西侧川滇地区是活动地带；它的东侧湘、桂、皖、浙、闽、粤一带，震旦纪长期海侵，有些岛屿耸立海水之中，称为华夏岛海，这也是非常活动的地带。表11-4

中国震旦系（部分）划分对比简表（据邢裕盛）

表11-5三峡地区震旦系剖面

四、最古老的一次大冰期——震旦纪冰期

在震旦纪时，不仅中国许多地方发现有冰川沉积，而且在澳大利亚、非洲、南美、北美、亚欧等大陆上