天文地质之 四、宇宙环境与地球演化的关系

    (一)银河系运动与地质现象 

组成银河系的各类成员及银河系本身全都处于运动之中。俄国天文学家斯特鲁维1887年开始研究银河系自转，后来观测事实证明了自转现象的存在。银河系自转速度(V)的大小随银心距(R)而变化，我们把从自转体中心到边缘不同地方的自转角速度不同的自转运动称为较差自转运动。太阳附近的银河系自转角速度为每年0.0053″，自转圆速度为250km/s。太阳系的全部成员参与了银河系的运动，有两种方式，一是太阳绕银心的周周运动；二是太阳往返于银道面两侧作周期性的位移(图)。据Innanen计算，太阳在银道面两侧往返一周的时间为0.77亿年，从近银心点到远银心点的平均时间为1.1亿年  ，太阳绕银心旋转一周的时间为2.74亿年，我们将太阳绕银心公转一周的时间间隔称为一个银河年。Innanen的银河年值与Steiner(1967)的银河年值(2.8亿年)接近。

据牛顿万有引力公式：     

可知，G为万有引力常数(G=6.673×10^-8cm³/(s·g)。但Steiner把G称为引力函数，它随时间和空间而变化，在近银心点处G为6.67×10^-8cm³/(s·g)；而在远银心点处G为7.0×10-8cm3/(s·g)。地质历史上的一些大事件的发生与变化可用G值特点来解释(表12.4)。 

表12.4  地质年代表中重要界限与G值对应表

多数地质学家认为，银河年(大约3亿年)与大冰期的重复出现有密切关系。Steiner(1967)认为约200万年前开始的第四纪冰期和约2.8亿年前的石炭、二叠纪冰期时太阳系位于近银心点附近，G值最小使太阳光度最小，导致地球上发生冰期及其它古气候变化；而在远银心点处时太阳光度最大，与地球上温暖的气候期大致符合。古生物的3大重要门类出现与银河年有关，陆地植物最早出现在志留纪(4.2～4.3亿年)，处于远银心点；裸子植物出现于石炭、二叠界线附近(约2.8亿年)，处于近银心点；被子植物出现于侏罗和白垩纪分界附近，处于远银心点。人类的出现发生于太阳系处于近银心点附近的时期。古生物灭绝在质历史上是比较突出的事件，Newell(1963)列举的科的灭绝曲线，其主要灭绝高峰期都位于G值的特征点时刻。

太阳系在银道面两侧往返运动的周期约为8000万年，在银道面一侧的时间约4000万年。在地质旋回记录中亦有相应的4000万年和8000万年左右的周期。

在显生宙以来存在着下列构造运动全球性加强期：早寒武世(5.8亿)、中寒武世(5.4亿)、晚奥陶世(4.6亿)、中志留世(4.23亿)、中泥盆世(3.7亿)、晚石炭世(2.95亿)、晚二叠世(2.4亿年)、晚三叠世(2.05亿)、中侏罗世晚期(1.70亿)、早白垩世中期(1.20亿年)、晚白垩世(0.7亿年)、中新世(0.26亿年)。这些构造运动之间的主要间隔为0.35～0.45亿年，平均为4000万年，与太阳系在银道面一侧运动周期大致相当。Hallam(1977)综合了许多人的成果，认为海平面变化在长周期背景上叠加了平均为0.35～0.55亿年的周期。在约4亿年长度的古生代中，有近10次大的岩浆侵入活动，平均亦为4000万年周期。Hatfield(1970)认为显生宙以来有7次最剧烈的生物灭绝时期，平均约8000～9000万年发生一次，这与太阳系在银道面上下往返运动周期大体相当。

地球的演化

地球的演化问题与太阳系成因关系密切，从太阳系众多的成因假说中可以知道，一种观点认为原始地球是热的，地壳先冷凝成固体，随时间消逝，大部分热量散失，地球内部保存余热；另一种观点认为原始地球是冷的，在演化过程中逐渐变热。这两种观点出发点不同，所得出的结论也不同，看来了解地球内热演化是研究地球全部演化史的关键。 

一、地球内部层圈的形成 

目前一般认为原始地球是均质的固体，主要由硅、氧、铁、镁等的化合物组成。地球开始是冷的，由于下列原因逐渐变热(图)。

(1)小星体碰撞转换来的热能这种热源可能是地球形成初期的主要形式，小天体的冲击、尘埃碎块的碰撞将大量的动能转换为热能。虽然一部分要散失到宇宙空间去，但仍有一部分保存下来使地球增温。

(2)压缩导致温度升高随着地球体积的缩小，内部压力不断增高，重力压缩的结果使地球温度升高。由于岩石的导热性差，大部分热能积累起来。

(3)放射性元素蜕变生热地球内部的U、Th、K等放射性元素蜕变时放出的热量，长期积累起来，造成地球升温。这种热能的积累远大于散热，所以它在地球内热演化中起重要作用。

上述这三种热源造成了地球温度的不断升高。在地球形成初期，由碰撞、压缩和放射性而产生的热量使地球温度达到1000℃或更高。地球形成的最初10亿年内，在深度400～800km范围内，温度已上升达到铁的熔点(图)。由于铁和镍的熔点较硅酸盐低，这时达到熔点首先熔化，形成熔融的金属层，同时硅酸盐开始软化，为重力分异作用创造了有利条件，于是比重大的铁、镍形成大的熔滴向地心下沉。降落过程中将释放出来的重力能转变为热能，使地球出现局部熔融状态。铁、镍最后向地心集结成为地核，与此同时，硅铝、硅镁等较轻物质上浮，冷却而成为原始地壳，二者之间的铁镁硅酸盐组成地幔(图)。在长期分异作用下，地核不断加大，地核内热不再散失，致使外核保持液体状态。 

二、地壳的演化 

冥古宙地壳  目前地球上最古老的岩石为加拿大的阿卡斯达片麻岩(40亿年)，这说明最晚在距今40亿年已经存在由分异作用形成的地壳。冥古宙(46亿～38亿年)地壳特点是从与月球对比获知的。在月球上，于46亿～44亿年间，熔融深度达到1000km附近，形成了岩浆海，随着它的冷却，形成了大约60km厚的以基性岩为主岩石圈。地球在冥古宙时比月球更强烈地遭受到陨石的轰击，被岩浆海覆盖。在岩浆海冷却固结时，地壳以基性岩为主，经分异在局部形成了花岗岩质的原始地壳，并有微弱板块活动(图)。

太古宙地壳  太古宙时(38亿～25亿年)地壳处于早期发展阶段。在太古宙早期，地壳可能比较薄，大部分为脆弱的以基性岩为主的岩石圈层。可能仅在发生板块挤压、俯冲的地区，由于岩浆的分异作用与岛弧的形成，出现一些孤立的、以岛弧形式为主的原始陆壳。随着岛弧的逐渐增大，板块俯冲作用与岩浆活动也逐渐增强，地幔、地壳物质交换剧烈，使得以中、酸性为主的陆壳物质不断增长。同时，火山岛弧被风化、剥蚀下来的碎屑物质，经过搬运后沉积在岛弧附近的水域，形成最早的沉积岩，并进一步扩大了陆壳的分布范围。由于板块活动和构造运动，又不断使这些早期的火山岩、侵入岩和沉积岩发生变形、变质和焊接。这样不断进行，使得陆壳不断增长，而陆壳由于为较轻的物质，它们在俯冲过程中很少被入到地幔中。于是，在太古宙中、晚期，地壳上已出现了一些分散的、孤立的较小古陆或称为陆核(图)。

元古宙地壳  古元古代时(25亿～18亿年)，陆核逐渐扩大，地壳的稳定性得以加强。到古元古代末期，地壳上发生广泛的构造运动，一些不同规模的古陆核发生拼合，形成规模较大的古陆块，许多大陆的雏形就是在该时期形成的。中元古代(18亿～10亿年)，古陆块又进一步发展，到中元古代末期，地球上又发生了一次影响较为广泛的地壳运动。由于板块的汇聚，大陆和大陆互相碰撞，全球大陆相互联结，形成一个或极少数量的超大陆。进入新元古代(10亿～5.7亿年)，超大陆逐渐分裂、解体，出现五个巨型的稳定古陆(图)。

显生宙地壳  据研究，显生宙(5.7亿年～今)以来，地壳上的大陆总体上经历了一个分裂—聚合—再分裂的历史(图)。早期分裂的历史是从新元古代延续到早古生代的。到5.1亿年前后，古冈瓦纳大陆(主要由南美、非洲、南极洲、澳洲和印度组成)相对较为完整，而北美、欧洲和亚洲大陆则相距甚远(图)；在距今5.1亿～3.8亿年之间，欧洲与北美之间的古大西洋关闭，并形成阿巴拉契亚-加里东褶皱山系(图)；距今3.8亿～3.4亿年之间，已拼接的欧洲-北美大陆与古冈瓦大陆和亚洲大陆的距离逐渐缩短(图)；距今3.4亿～2.25亿年之间(晚古生代晚期)，欧洲-北美大陆和亚洲大陆碰撞，形成乌拉尔山脉，并构造巨大的北方古陆——劳亚古陆，北美和非洲之间的大洋闭合，使劳亚古陆与冈瓦纳古陆相连，形成泛大陆即联合古陆，两者之间为特提斯海(图)；距今2亿～1.8亿年之间，联合古陆又开始逐渐发生分裂，首先从北大西洋南部和古地中海西部开始分裂，继而南美-非洲与冈瓦纳大陆其余部分分裂，印度与澳大利亚-南极洲分裂(图)；距今1.8亿～1.35亿年，海底不断扩张使大西洋北部和印度洋扩展开来，南美与非洲之间也开始分裂，而特提斯海不断闭合(图)；到0.65亿年前，南大西洋已经展宽，北大西洋继续向北扩展，特提斯海几乎闭合，印度继续北移(图)；0.65亿年以来，大西洋中脊进入北冰洋，澳大利亚从南极大陆分裂并向北漂移，印度与欧亚大陆碰撞形成喜马拉雅山脉，现今海陆格局最终形成(图)。 

三、大气圈和水圈的形成与演化 

大气圈在地球形成的最初阶段就可能存在，由于这一阶段的地质记录不清，只能通过天体地质情况的类比来获得信息。这时的大气圈可能比较稀薄，主要由H、He等元素组成。由于它们密度小，大部分逃离了地球的引力或者结合在矿物的晶格中，所以最初的大气圈存在时间并不长。

地球的排气活动(如火山活动)使大气圈产生了重要的变化，它使得大气圈在冥古宙晚期至太古宙时以H₂O(水汽)和CO2为主，其次为N₂、HCl、HF、NH₃、CH₄、H₂S。许多科学家对古老岩石的气体包裹体进行了研究，以便了解地球发展早期的大气成分。Schidlowski(1972)估计早期大气圈中80％为水汽，10％为CO₂，5％～7％为H₂S，0.5％～1％为CO和H，还有HF、HClCH₄等。Neruchev(1977)估计早期大气圈中CO₂占98.8％，N₂占1.1％(未考虑水汽)。认为当时大气压力约7MPa(大致相当于现在大气压力的70倍)，考虑到CO₂溶于水的部分，压力可能达到5～6MPa。Kazansky(1972)领导的科研组对35亿年前的石英岩进行气体包裹体研究，证明包体中CO₂占60％，H₂S、HCl、HF等占35％。

总之，早期大气缺氧，以CO₂、H₂O为主，其次为酸性气体。由于CO₂和H2O的温室效应，当时的大气温度较高，热雨频繁。据Knaut和Epstein(1976)估计当时的地表温度约为70℃，海水的温度更高，由于当时大气压力高(以7MPa计算)，水的沸点可达260°～285℃。

太古宙大气中游离氧没有或很少，末期大气中的氧气仅占5.5％(Kazansky，1973)，这时的氧含量可能与上层大气中的H₂O受紫外线照射分解有关。太古宙已有生物存在，主要为自养的原核细胞生物。生物的光合作用产生的氧主要限制在水圈里，并且与Fe²⁺保持平衡，使其转化为Fe₃O₄，形成条带状含铁岩石，所以大气中氧很少。在太阳光及高能紫外线的作用下，水中的光合植物(如蓝藻、绿藻)逐渐增加，氧的生产量越来越多，Fe²⁺则减少，二者的平衡被破坏，于是较多的氧气在元古宙进入大气圈。

大气圈中氧的出现或增加又开创了新的细胞和有机体的形成阶段，出现真核生物。随着有机界的发展，氧的积累又逐渐增加，元古界末期大气中氧含量达到12％，中生代初达氧含量到18％。O₂与NH₃化合产生N₂和H₂O，而CO₂则由较高的含量逐渐降低到现在的水平。

元古宙时期大气层中CO₂减少并进入水体中，使得该时期开始形成大量的灰岩和白云岩(碳酸盐岩类)。碳酸盐岩沉积又可释放出氧气逃到大气圈。大气圈中的氧气受紫外线照射，某些氧分子变成氧原子和臭氧，由于它们的强化学活动性，使地表的物质发生氧化，因此显生宙时期开始出现广泛的红色地层堆积(即红层，red  beds)。臭氧在光化学作用下不断积累，形成了对有害紫外线的屏蔽。

    太平洋、大西洋和印度洋的深海钻探表明，洋底沉积层的年龄均不超过1.7亿年，现有各大洋洋底主要是近2亿年来海底扩张的产物。但这并不意味着大洋发展历史仅限于中生代以来。自地球上出现了水以后，也就开始了大洋的形成、发展和演化过程。目前最老的沉积岩年龄近40亿年，说明当时地球上已有水的存在。

地幔和地壳中有很丰富的结构水(主要存在于矿物的晶体结构中)，火山活动使得H₂O析出。按现在火山喷气的速率计算，自地球形成以来排出的水远比现在水圈中的水少得多，推测在地球形成早期一定存在非常强烈的火山活动。Schopf(1980)认为地球上的大部分水在地质历史的早期阶段便已积聚形成，距今25亿年前海水的体积已颇具规模。海洋动物群是海洋演化的见证，海洋动物大多数纲和几乎所有的门在早古生代就已存在，早古生代以来并未演化出新的门类。海洋动物的古老性证明了大洋具有久远的历史。

20亿年前开始有碳酸盐岩类(主要为白云岩)沉积，海绿石在12～15亿年前的岩石中就已存在，层状燧石和富硫沉积物等的存在都说明很早的海洋中就已富有盐分。当时的海洋与现在的海洋有一定的差别，Eh、pH值都较低。早期的海洋盐度变化可能较大，因为在前古生代发现的许多微生物似乎反映了淡水环境。尽管水圈的主体形成较早，但现在的水圈是逐渐积累起来的。目前关于水圈早期历史的资料较少，对它的形成和发展认识大部分是逻辑上的推测。

大气圈和水圈的形成与发展使得地球表层动力系统逐渐完善。在太阳能的作用下，出现各种气候、水文和地质现象。地球表面的海陆分布变化直接引起地表对太阳光反射率的变化，反射率高气候寒冷，反射率低气候暖热，当然影响地球表面温度变化的因素还较多。许多学者对地球表面温度的变化趋势和历史进行了研究，Knaut和Epstein(1976)估计地表年均温在太古宙约为70℃，元古宙晚期约为52℃，古生代末约为20℃，中生代约为35℃，现在为15℃。Salop(1977)对地质历史时期的气温和冰川进行了分析和研究，结果如图。这些结果主要是根据沉积物中同位素资料获得的，不同学者，研究结果存在一定的误差。

四、生命的起源与生物演化 

生物圈在大气圈和水圈的发展过程中也开始了自己的演化历史，在已发现的所有最古老的地层中都发现有原始植物遗留的残迹，所以说生命的开始也应该是很早的。所有的有机体都是由化学元素组成的，构成细胞质的95％是C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、Mn、Cl等，还有微量的Fe、Cu、Zn、Mo、B、F、Si和I等，这些元素也是水圈和大气圈的重要组成部分。在过热或过冷的温度下，不适合于生命生存。在其它星体上，水或汽化或冻结，不利于生命的形成。最初的生命是在水圈中产生的，在液体水温0～100℃范围内是生命繁殖的良好环境。由于地球在太阳系中的位置，恰好具有这样的温度条件。地球上还存在着多种能量形式，如紫外线、闪电、陨石冲击、放射性活动、火山和温泉等，从化学观点看，上述能源中只要有很少部分有效地运用于适当的场所，便足以供给形成生命的需要。生命是从无机界中产生的，这早已被人们接受。Miller(1957)将CH₄、NH₃、H₂等气体混合，利用电子放电，在实验室中获取了氨基酸和其它有机化合物，其中氨基酸为地球上生物的基础物质。很多人认为早期的大气圈中含有CH₄、NH₃、H₂等强还原物质(McAlester，1968；Krous-Kopf，1979)，生物很可能在这样的大气圈中产生。

由无机物转化到有机物组成的原始生命，再由原始生命发展成细胞是一个复杂的物理化学和生物化学作用过程，要经历数亿年的时间。生物从原核细胞发展到真核细胞则需要更长的时间。在地质历史漫长的岁月中，生物由简单到复杂，由低级到高级，由水生到陆生，适应能力越来越强，最后形成繁盛的生物圈。

在太古宙时，地球上的有机界处于萌芽状态。太古宙晚期，海水里的生命物质已发展成为最原始的生物，出现一些原始的单细胞菌藻类生物；元古宙的藻类空前繁盛，被称为菌藻植物时代，除了低等的蓝绿藻，还出现了大量繁殖的褐藻、红藻等高级藻类植物。元古宙晚期，从古老的原生动物中发展出低等多细胞类型的海绵动物和腔肠动物，再从某些古老的腔肠动物发展出高等多细胞动物(图)。在震旦纪地层中曾发现微小的贝壳无脊椎动物化石以及无脊椎软体印模化石。

进入显生宙，海生藻类在早古生代的海洋中继续发展，晚古生代第一次出现了陆生植物。泥盆纪时，开始出现半水半陆的裸蕨植物和石松植物。石炭纪时，植物进一步由水边向陆地扩展，鳞木、芦木、大羽羊齿等繁盛，当时森林茂密，万木参天。晚古生代末孢子植物衰退，代之而起的是裸子植物。早古生代是海洋无脊椎动物的空前繁盛时期。寒武纪和奥陶纪三叶虫最盛，奥陶纪和志留纪笔石最盛，志留纪末三叶虫和笔石多已绝灭，这一时期，淡水原始脊椎动物开始出现。晚古生代脊椎动物兴起，并产生了从水到陆的飞跃。泥盆纪鱼类昌盛，在其演化过程中，一部分鱼类为了适应陆地环境，身体的构造发生了变化，总鳍鱼类的一支演化为最早的两栖类。石炭、二叠纪时期，植物茂盛，昆虫繁多，两栖类空前发展。二叠纪末两栖类又进一步发展成为爬行类，完全摆脱了对水的依赖。晚古生代海生无脊椎继续发展，以珊瑚、腕足类和菊石最为繁盛。

中生代的植物界以裸子植物发展为特征，苏铁类、银杏类和松柏类是其代表。这时真蕨和节蕨仍继续发展，到中生代晚期被子植物开始出现。中生代是爬行动物的时代，特别是在三叠纪中期出现了恐龙，种类繁多。中生代恐龙称霸一时，成为地球上占绝对优势的陆生动物，还有一些成功地适应了海洋和空中的环境，白垩纪末，恐龙绝灭。中生代晚期鸟类和哺乳类开始出现。

新生代裸子植物退居次要地位，被子植物繁茂。新生代时无脊椎动物继续演化，门类很多。哺乳动物大发展是新生代生物界的重要特征，哺乳类为恒温热血动物，由卵生变为胎生，对环境有更广泛的适应性。人是从灵长类中的猿类进化而来的。始新世至渐新世出现了最早的猿类，它们过着栖树的生活。在发展中，由于气候和植被的变化，有些绝灭了，其中有一支发展成为古猿，具有地面和树上生活的双重能力，中新世时，古猿中的一种成为类人猿，上新世至第四纪初出现了最早的人类。他们在劳动中创造工具，发展语言，逐渐变成现代的人类(图)。

地球在发展演化过程中，内部层圈和外部层圈的发展是相互关联的，其历史梗概可归纳如下(表)。 

表12.5  地球的历史梗概