第二章地球的演化歷史AccretionStabilization2.1地球的早期演化地球形成至今已有46億年的歷史。在我們這個(gè)星球演化的早期，地球:圈層結(jié)構(gòu)水圈大氣圈是如何形成和演化的？地球演化的早期（冥古宙）大致可分為兩個(gè)階段：地球的增生階段(4570-4520Ma):AccretionoftheEarthfromthesolarnebula;地球的穩(wěn)固階段(4520-3800Ma):Stabilization

oftheEarth.通常認(rèn)為，在太陽系誕生后最初的約50Ma內(nèi)，地球以及太陽系內(nèi)的其它類地行星均是由一些比較小的星子或小星體相互碰撞、增生形成的集合體2.1.1地球的增生階段月亮的形成月亮大約形成于4.527±0.010Ga，比太陽系的形成晚30-50Ma。月亮形成——有很多假說，其中最流行的是巨星沖擊假說：由于一個(gè)類似于火星大小的巨星對早期地球的撞擊，拋射出足夠量物質(zhì)進(jìn)入早期地球的環(huán)形軌道，通過增生形成了地球的唯一衛(wèi)星——月亮。Giantimpacthypothesis重大地質(zhì)事件:地球的分異和冷卻;初始大氣圈和海洋的形成;最早的長英質(zhì)地殼的形成（早期大陸）；大規(guī)模的沖擊事件(?)2.1.2地球的穩(wěn)固階段地球物質(zhì)的分異過程導(dǎo)致地球內(nèi)部圈層的形成巨星沖擊導(dǎo)致了地球唯一的衛(wèi)星——月亮的形成，并導(dǎo)致大量的熱能儲(chǔ)存在年輕的地球內(nèi)部，使得原地球幾乎整體處于熔融狀態(tài)。儲(chǔ)存在地球內(nèi)部的熱能可能包括三個(gè)方面：增生/沖擊的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能；物質(zhì)分異過程中的高密度物質(zhì)（如“鐵”）的重力勢能轉(zhuǎn)化為熱能；摩擦生熱；放射性元素的衰變釋放出能量。10Be 1.5Ma 26Al 0.73Ma 36Cl 0.30Ma 41Ca 0.10Ma 53Mn 3.7Ma 60Fe 1.5Ma 107Pd 6.5Ma 129I 16Ma 短命的（半衰期為幾個(gè)Ma或更短）放射性元素。當(dāng)然，由于這些短命的放射性元素很可能僅存在于太陽系形成之前的超新星或其它星體的形成階段，因此，在今天的太陽系中是不可能碰見的。放射性熱能:（1）地球物質(zhì)分異過程與內(nèi)部圈層的形成巨星沖擊后，地球經(jīng)歷了很長時(shí)間的冷卻以耗散儲(chǔ)存在地球內(nèi)部的熱能；冷卻過程的漫長很可能與地球表面的穩(wěn)固有關(guān)（內(nèi)部熱能不能快速散逸）；該過程導(dǎo)致了地球內(nèi)部積累了越來越多的能量，從而使得地球內(nèi)部幾乎處于熔融狀態(tài)。地球表面的穩(wěn)固Denseelements(Fe,Ni)settledtocore.Lightones(Si,Al,Na,Ca)rosetosurface.CertainMg,Fesilicatessettledtomantle.重力作用導(dǎo)致Fe向地核沉降和匯聚；相反，質(zhì)量較輕物質(zhì)，如硅酸鹽，作為物質(zhì)交換，向地表遷移；而這些富含硅酸鹽的物質(zhì)很可能在熔融狀態(tài)下即上升到地表，從而形成了巖漿海(initialmagmaocean)

；巖漿海逐步冷卻形成了玄武質(zhì)地殼(現(xiàn)今大洋地殼)；大陸地殼的形成很可能還要滯后，推測是原始地殼經(jīng)多次小行星沖擊碰撞、多次重熔的結(jié)果。巖漿海

行星：現(xiàn)今大氣圈組成水星:H,He 金星:CO2,N2(toohottohaveliquidH2O)地球:N2,O2,Ar(withliquidH2O)火星:CO2,N2,Ar(toocoldtohaveliquidH2O)木星/土星/天王星/海王星:H,He,CH4地球大氣圈：被地球引力束縛在地球周圍的氣體（2）原始大氣圈和海洋的形成地球初始大氣很可能是在地球的早期增生階段形成的，與現(xiàn)今的大氣成分有顯著差別，主要為H2和He（與現(xiàn)今水星相似）。但是，這部分大氣很可能在地球早期演化過程中由于太陽風(fēng)的作用而散逸到外空間中：地球的引力還不足以束縛這些較輕的氣體；地球的內(nèi)核(固態(tài)的內(nèi)核和液體的外核)還未形成——地球磁場尚未形成——缺少保護(hù)地球免遭太陽風(fēng)影響的磁層；地球分異形成地核，相對較重的氣體可能在地球引力作用下，永久存在于磁層頂之下的地球大氣圈內(nèi).第一大氣圈的形成第二大氣圈：主要是在巖漿海階段形成，主要來自于火山噴發(fā)所釋放出的氣體。Compositions:H2O,CO2,SO2,CO,S2,Cl2,N2,H2,NH3andCH4NofreeO2

atthistime(notfoundinvolcanicgases)Thesecondatmosphereisthoughttohavecomeintobeingaround4.4billionyearsago與現(xiàn)今大氣圈相比，第二大氣圈的密度相對較大，很可能達(dá)百倍以上。這意味著第二大氣圈包含了大量水蒸氣；隨著時(shí)間推移形成云、雨和“水池”；斗轉(zhuǎn)星移，“水池”逐漸擴(kuò)展變大形成湖泊和海洋；隨著地球表面水越積越多，原始大氣圈中越來越多的CO2被溶解，從而導(dǎo)致原始大氣圈中水蒸氣和CO2逐漸減少，惰性氮脫穎而出。第二大氣圈與初始海洋的形成第三大氣圈很可能是在~3.5Ga之后的太古宙形成的；第三大氣圈的形成與一種叫藍(lán)藻的細(xì)菌（最早微生物）“生產(chǎn)”氧氣有關(guān)。

第三大氣圈的形成——O2,O3,Ar38億年前的球狀菌化石（南非）（3）早期長英質(zhì)地殼的形成（早期大陸）~4.0GaAcastaGneissinCanada

4.408±0.003GainWAustralia(4)后期的大規(guī)模沖擊事件(LHB)LateHeavyBombardment——通常認(rèn)為發(fā)生在約4.0-3.8Ga之前。此時(shí),太陽系中的類地行星和月亮遭遇了大規(guī)模的小行星和流星的沖擊。獅子座流星雨Mariabasins（月球）CalorisBasin（水星）Caloris（火星）LHB事件在地球之外的其它星球上隨處可見但是，地球上LHB沖擊事件的痕跡鮮有發(fā)現(xiàn)，板塊構(gòu)造的破壞？2013年2月15日12:30俄羅斯隕石事件2013年2月16日小行星與地球插肩而過2.2地質(zhì)年代學(xué)索爾伯茲里巨石陣2.2.1相對地質(zhì)年代在研究地球的演化歷史或者地質(zhì)過程時(shí)，有時(shí)候并不一定需要知道地質(zhì)事件發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間，而只需要知道它們之間的先后順序，這種只確定地質(zhì)事件發(fā)生先后順序的方法稱為相對地質(zhì)年代。在沒有找到合適的定齡方法之前，地質(zhì)學(xué)家采用的就是相對地質(zhì)年代的方法來確定地質(zhì)事件發(fā)生的先后順序。相對地質(zhì)年代學(xué)方法至今仍然是地質(zhì)學(xué)家研究地質(zhì)過程的主要手段。N.Steno與地層層序律：斯坦諾的職業(yè)是醫(yī)生，他利用在醫(yī)學(xué)中學(xué)到的生物學(xué)知識(shí)研究化石，創(chuàng)立了生物地層學(xué)原理，并提出了地層學(xué)的三個(gè)定律：地層層序律：即先沉積的一定位于地層的下部后沉積的一定位于上部，由此可以確定沉積事件的先后順序。原始連續(xù)性定律：即沉積過程中如果沒有干擾因素，則原始的沉積地層一定是連續(xù)的。原始水平性定律：在原始條件下形成的沉積地層一定是水平的。原始水平連續(xù)的地層由這三條定律出發(fā)，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)地區(qū)的地層不符合上述情況，這一定有某種地質(zhì)事件發(fā)生了——切割律或穿插關(guān)系（4）MinorCanyonarea(1)Valley(Canyon):youngerthan?(2)FosterCityFm:youngerthan?Butolderthan?(3)Dike:youngerthan?Butolderthan?(4)LarsontonFm:youngerthan?Butolderthan?(5)Granite:youngerthan?Butolderthan?1-Lutgrad組的沉積2-花崗巖侵入前的沉積3-地層傾斜前4-Larsonton組沉積前，局部被剝蝕5-Larsonton組沉積，地殼的沉降6-巖墻侵入前，Larsonton組部分剝蝕7-巖墻侵入到Larsonton組及老地層中，Larsonton組的厚度不確定8-Larsonton組繼續(xù)被剝蝕，巖墻露出地表9-地殼再次沉降，F(xiàn)osterCity組沉積10-峽谷形成前OriginalHorizontality:horizontalornearlyhorizontallayers.Superposition:withinasequenceofundisturbedsedimentaryorvolcanicrocks,thelayersgetyoungergoingfrombottomtotop.LateralContinuity:anoriginalsedimentarylayerextendslaterallyuntilittapersorthinsatitsedges.Cross-cuttingRelationships:Adisruptedpatternisolderthanthecauseofdisruption.PrinciplesUsedtoDetermineRelativeAge侵入者年代新(巖漿巖體、巖脈)被侵入者年代老砂巖灰?guī)r花崗巖Cross-cuttingRelationships:OtherTimeRelationships:Baked(contactmetamorphosed):Inclusion:fragmentsincludedinahostrockareolderthanthehostrock.Unconformities:

Asurface(orcontact)thatrepresentsagapinthegeologicalrecord,withtherockunitimmediatelyabovethecontactbeingconsiderablyyoungerthantherockbeneath.

Disconformities:thecontactrepresentingmissingrockstrataseparatesbedsthatareparalleltooneanother.AngularUnconformities:acontactinwhichyoungerstrataoverlieanerosionsurfaceontiltedorfoldedlayeredrock.Nonconformities:acontactinwhichanerosionsurfaceonplutonicormetamorphicrockhasbeencoveredbyyoungersedimentsorvolcanicrocks——變質(zhì)基底上的沉積/火山堆積國內(nèi)的教科書：整合（連續(xù)沉積）、不整合——假整合，角度不整合DisconformitiesAngularunconformitiesNonconformitiesW.Smith與生物地層學(xué)方法：由于地層的發(fā)育往往局限于一定區(qū)域，而不同地區(qū)的地層則很難進(jìn)行對比，上述方法具有很大局限性。英國學(xué)者W.Smith發(fā)現(xiàn)，特定地層中往往有一些特定化石類型；如果反過來用特定化石種類來確定特定地層就可以進(jìn)行跨區(qū)域地層對比了。后來經(jīng)居維葉、拉馬克等人的不斷完善，逐漸演變成生物地層學(xué)。

標(biāo)準(zhǔn)化石：在生物地層學(xué)研究中最主要的是選擇那些地質(zhì)歷史中存在時(shí)間比較短、演化快、分布范圍廣的古生物化石——標(biāo)準(zhǔn)化石，以提高對比的可靠性。

地質(zhì)年代表：通過幾代地質(zhì)學(xué)家的不斷努力，終于確定了一個(gè)地質(zhì)年代表，可以進(jìn)行全球范圍的地層對比，并確定時(shí)間關(guān)系。生物地層學(xué)前寒武紀(jì)國際地層委員會(huì)，2008地質(zhì)年代表地質(zhì)歷史與生物演化冥古宙-Hadean地球的早期演化階段

太古宙-Archean最古老的地質(zhì)年代，原始的菌藻生物

元古宙-Proterozoic古老的地質(zhì)年代，菌藻生物

顯生宙-Phanerozoic開始出現(xiàn)大量較高等動(dòng)物以來的階段

古生代-Paleozoic“古老生物”的時(shí)代，如原始的海生無脊椎動(dòng)物，原始的魚類，兩棲類，蕨類等孢子植物

中生代-Mesozoic“中期生物”時(shí)代，以陸上爬行動(dòng)物繁盛為特征

新生代-Cenozoic“近代生物”時(shí)代，哺乳動(dòng)物和被子植物非常繁盛異齒龍梁龍恐角獸思考題：請描述圖中8個(gè)地質(zhì)事件發(fā)生的先后順序及其依據(jù)1．砂巖2．巖基3．平行不整合4．頁巖5．?dāng)鄬?．沉積間斷7．灰?guī)r8．巖株2.2.2絕對地質(zhì)年代絕對地質(zhì)年代是以絕對的天文單位“年”來表達(dá)地質(zhì)時(shí)間的方法，絕對地質(zhì)年代學(xué)可以用來確定地質(zhì)事件發(fā)生、延續(xù)和結(jié)束的時(shí)間。在人類找到合適的定年方法之前，對地球年齡和地質(zhì)事件發(fā)生的時(shí)間更多含有估計(jì)的成分。諸如采用季節(jié)－氣候法、沉積法、古生物法、海水含鹽度法等，利用這些方法不同的學(xué)者會(huì)得到的不同的結(jié)果，和地球的實(shí)際年齡也有很大差別。1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性，1902年居里夫人首先提出了可能利用放射性同位素的特點(diǎn)確定礦物年齡的思想，1905年提出了利用U、Pb放射性同位素確定礦物年齡的方法，并在1907年成功地獲得第一個(gè)U－Pb放射性同位素年齡。礦物年齡可由下列公式計(jì)算：

N=N0e-λtt－礦物的年齡，N0－礦物中的子同位素含量，N－剩余的（未分解的）同位素含量，λ－同位素衰變常數(shù)。λ=ln(2)/thlt=thl/0.693*ln(N/N0)目前地球科學(xué)領(lǐng)域所采用的同位素定齡方法主要有U－Pb法、K－Ar法、Ar－Ar、Rb－Sr法、Sm－Nd法、碳14法、裂變徑跡法等，根據(jù)所測定地質(zhì)體的情況和放射性同位素的不同半衰期選用合適方法可以獲得比較理想的結(jié)果。放射性同位素法常用于測定地質(zhì)年齡的同位素

同位素

半衰期有效測年范圍適用材料母體

子體(years)

(years)C-1414C14N5730

100－40,000

木材、骨、貝殼、CO2K-4040K40Ar13億100,000－46億云母、角閃石、火成巖U-238238U206Pb45億10Ma－46億鋯石、瀝青鈾礦U-235235U207Pb7.13億10Ma－46億同上Th-232232Th208Pb14.1億10Ma－46億同上Rb-8787Rb87Sr49億10Ma－46億

云母、長石、火成巖用于地質(zhì)年代測定的同位素必須具備的條件：具備較長的半衰期；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。假定實(shí)驗(yàn)室測得某巖石中235U的原子數(shù)為440,000個(gè)，并通過測定其中的207Pb得知巖石形成時(shí)的235U原子數(shù)為1,200,000個(gè)，則可計(jì)算得到巖石形成年齡為10.32億年。Dike

78MayearsoldGranite

540MayearsoldMinor

Canyon

area(原核細(xì)胞)細(xì)菌和藍(lán)藻真核細(xì)胞生命起源(5.4億年前)2.3地質(zhì)歷史中的生命演進(jìn)

西北大學(xué)舒德干院士：1964級(jí)古生物學(xué)專業(yè)

古蟲動(dòng)物門中的

北大動(dòng)物Beidazoon

寒武紀(jì)之前，地球上的生命都是非常低級(jí)的，主要是一些單細(xì)胞生物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物等電鏡下的原核生物前寒武紀(jì)太古宙：巖石大多經(jīng)過了高溫高壓的變質(zhì)作用（高級(jí)變質(zhì)巖類），很難尋覓到化石，對這一時(shí)期的生命活動(dòng)了解得很少。元古宙末期：大約從8.5到5.7億年，被命名為震旦紀(jì)?！罢鸬⊿inian）”意指中國，震旦紀(jì)已有了明確的生物證據(jù)，在動(dòng)物界出現(xiàn)了低等的小型具硬殼的物種，以及大量裸露的高級(jí)動(dòng)物，如澳大利亞的埃迪卡拉動(dòng)物群。在植物方面表現(xiàn)為高級(jí)藻類（如紅藻、褐藻類等）的進(jìn)一步繁盛，宏觀藻類也得到飛速的發(fā)展，這時(shí)的地球已徹底改變一片死寂、毫無生氣的面貌了。前寒武紀(jì)震旦紀(jì)的單細(xì)胞生物單細(xì)胞生物化石早古生代進(jìn)入早古生代，生物有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，一些大型的古生物相繼出現(xiàn)，如三葉蟲、鸚鵡螺等。出現(xiàn)了生命演化史上的第一次繁榮景象。在中國云南澄江發(fā)現(xiàn)的寒武紀(jì)古生物是最有代表性的寒武紀(jì)生物群。澄江動(dòng)物群為揭開寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的奧秘提供了大量信息?！都~約時(shí)報(bào)》稱之為“20世紀(jì)最驚人的發(fā)現(xiàn)之一”。螺旋藻三葉蟲復(fù)原圖三葉蟲化石三葉蟲的“殘余”：“海洋十寶”鱟（hòu）鱟亦稱馬蹄蟹。海生節(jié)肢動(dòng)物，共4種，見于亞洲和北美東海岸。與蝎、蜘蛛以及已絕滅的三葉蟲有親緣關(guān)系。最早的鱟化石產(chǎn)于奧陶紀(jì)，有“活化石”之稱?，F(xiàn)存三屬四種：美國鱟，體長可達(dá)60公分以上。另外3種：三刺鱟(中國鱟)、巨鱟、圓尾鱟，分布于亞洲。由頭胸部、腹部和尾劍組成；四只眼。鸚鵡螺化石澄江動(dòng)物群復(fù)原圖冒天山蠕蟲澄江動(dòng)物群復(fù)原圖尖峰蟲澄江動(dòng)物群復(fù)原圖撫仙湖蟲奧陶紀(jì)：早古生代海侵最廣泛的時(shí)期，這為無脊椎動(dòng)物的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。這一時(shí)期，海生無脊椎動(dòng)物不僅門類和屬種大量豐富，在生態(tài)習(xí)性上也有重要的分異。主要生物種類除三葉蟲外，還有筆石、海綿、鸚鵡螺、牙形刺動(dòng)物、腕足類、腹足類等，奧陶紀(jì)還出現(xiàn)了原始魚類。奧陶紀(jì)牙形石奧陶紀(jì)筆石筆石—具有中樞神經(jīng)的脊索動(dòng)物海洋中出現(xiàn)了較多種類的珊瑚，為晚古生代（主要是泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)）珊瑚的空前繁榮奠定了基礎(chǔ)。重要生物還有苔蘚蟲、三葉蟲、鸚鵡螺類和筆石類。其中，筆石是一種非常重要的生物，其化石通常保存在巖層面上，很象用筆書寫的痕跡，故稱之為筆石。志留紀(jì)我國東南沿海的文昌魚志留紀(jì)筆石志留紀(jì)棘皮動(dòng)物現(xiàn)代海生無脊椎動(dòng)物——海星晚古生代泥盆紀(jì)：生物登陸，蕨類植物、總鰭魚石炭紀(jì)：裸子植物，到處是綠色的世界，是煤炭形成的主要地質(zhì)年代。二疊紀(jì)：以生物大量滅絕為特征，環(huán)境的變遷？泥盆紀(jì)甲胄魚泥盆紀(jì)鯊魚泥盆紀(jì)總鰭魚泥盆紀(jì)魚類首先從無脊椎動(dòng)物中分化出來，形成生物界的新族。由于泥盆紀(jì)的魚類空前繁盛，泥盆紀(jì)又稱“魚類的時(shí)代”。石炭紀(jì)鱗木石炭紀(jì)的氣候溫暖濕潤，有利于植物的生長。隨著陸地面積的擴(kuò)大，陸生植物從濱海地帶向大陸內(nèi)部延伸，并得到空前發(fā)展，形成了大規(guī)模的森林和沼澤，陸地表面到處是綠色的世界，給煤炭的形成提供了有利條件。輪葉石炭紀(jì)森林兩棲動(dòng)物在克服水分蒸發(fā)方面并不十分成功，所以它們只能生活在河、湖岸邊和沼澤區(qū)等潮濕地帶。兩棲動(dòng)物在二疊紀(jì)的發(fā)展可謂一日千里，無數(shù)種兩棲動(dòng)物匍匐爬行在水邊，到二疊紀(jì)末期，逐漸演化為真正的陸生脊椎動(dòng)物——原始爬行動(dòng)物。引螈中生代三疊紀(jì)生物復(fù)蘇，并開始出現(xiàn)水生爬行動(dòng)物，如魚龍、蛇頸龍等。侏羅紀(jì)是恐龍的天下，發(fā)現(xiàn)始祖鳥、中華龍鳥等，昆蟲類也開始繁盛。白堊紀(jì)末期也是生物的滅絕時(shí)期，但開始出現(xiàn)被子植物。三疊紀(jì)派克鱷三疊紀(jì)黃昏鱷侏羅紀(jì)雷龍中華龍鳥孔子鳥化石遼西熱河動(dòng)物群：發(fā)現(xiàn)了脊椎動(dòng)物絕大部分門類的化石和新種類。其中，鳥類化石的發(fā)現(xiàn)改寫了鳥類的進(jìn)化史（季強(qiáng)等，1996），為鳥類起源于小型獸腳類恐龍的學(xué)說提供了直接證據(jù)，填補(bǔ)了鳥類演化的空白，動(dòng)搖了始祖鳥作為鳥類祖先的地位。這一成果確定了我國在國際同類研究中的引領(lǐng)地位。始祖鳥化石及復(fù)原圖白堊紀(jì)無齒翼龍白堊紀(jì)霸王龍美國自然歷史博物館中的霸王龍化石白堊紀(jì)鴨嘴龍白堊紀(jì)魚龍美國國家自然博物館魚龍化石三疊紀(jì)蘇鐵銀杏蘇鐵：“植物活化石”，最古老的種子植物之一，曾與恐龍同時(shí)稱霸世界。起源于P，繁盛于Tr，最鼎盛于J，K逐漸被被子植物取代。銀杏：“植物活化石”，最古老的種子植物之一，起源于C，J廣泛分布于北半球，K晚期逐漸衰退。