古老大地呼唤生命：地球的哭泣

2023-11-17 理论教育版权反馈

【摘要】：太古界的地层由变质深的正、副片麻岩组成。已知其中最古老的年龄为40多亿年。总的来说，太古代是原始地理圈的形成阶段，陆地是原始荒漠景观，水域是生命孕育和发源之地。在寒武纪，泛大陆发生分裂并引起海侵，大陆架广布，海生无脊索动物空前繁盛，其中以节肢动物的三叶虫占化石总数的60%，腕足类约占30%，其他仅占10%。

人类经常讴歌的“大地”，实际上就是地壳。当前的地壳是由岩石组成的固体外壳，地球固体圈层的最外层，岩石圈的重要组成部分。其底界为莫霍洛维奇不连续面（莫霍面）。整个地壳平均厚度约17千米，其中大陆地壳厚度较大，平均为33千米。高山、高原地区地壳更厚，最高可达70千米；平原、盆地地壳相对较薄。大洋地壳则远比大陆地壳薄，厚度只有几千米。

地壳分为上、下两层。上层化学成分以氧、硅、铝为主，平均化学组成与花岗岩相似，称为花岗岩层，亦有人称之为“硅铝层”。此层在海洋底部很薄，尤其是在大洋盆底地区，太平洋中部甚至缺失，是不连续圈层。下层富含硅和镁，平均化学组成与玄武岩相似，称为玄武岩层，所以有人称之为“硅镁层”（另一种说法，整个地壳都是硅铝层，因为地壳下层的铝含量仍超过镁；而地幔上部的岩石部分镁含量极高，所以称为硅镁层）；在大陆和海洋均有分布，是连续圈层。两层以康拉德不连续面隔开。

今天的地壳是经过一个很长时期的演化而来的。

1.太古代（距今约24亿年之前）

太古代是地质年代中最古老、历时最长的一个代，即原始地壳以及原始大气圈、水圈、沉积圈和生物的发生、发展的初期阶段。

太古界的地层由变质深的正、副片麻岩组成。已知其中最古老的年龄为40多亿年。据此认为，在此之前地球便出现了小型的花岗岩质地壳。由沉积岩变质而成的副片麻岩的出现，说明当时有了原始大气圈和水圈，并有单纯的物理化学风化。在这些结晶变质岩基底上覆盖着一层变质较轻的绿岩带，其中有火山岩和沉积岩，它们形成于当时地面的凹陷带，后来才经历变质作用。其年龄在23亿～34亿年间。据推测，太古代早期地球表面有许多小型花岗质陆块，它们之间有深浅多变的古海洋。后来各小陆块在移运中结合成面积较大的大陆板块。

太古代的地壳运动和岩浆活动既广泛又强烈；火山喷发频繁，故使大气圈和水圈才得以形成。原始海洋的面积可能比现在大，但平均水深则浅得多。现在世界各地蕴藏丰富的海相层状沉积的变质铁锰矿床和岩浆活动形成的金矿等就是在这时期形成的。当时的大气圈可能富含碳酸气、水蒸气和火山尘埃，只有少量的氮和非生物成因的氧。海水也是酸性矿化水（后来才逐渐被中和），陆地是灼热的，荒芜的。在某些适宜的浅海环境中，有些无机物质经过化学演化跃变为有机物质（蛋白质和核酸），进而发展为有生命的原核细胞，构成一些形态简单的无真正细胞核的细菌和蓝藻。这只是出现于太古代的后期。

总的来说，太古代是原始地理圈的形成阶段，陆地是原始荒漠景观，水域是生命孕育和发源之地。当时地壳与宇宙之间以及和地幔之间的物质能量交换比后来任何时候都强烈得多。

2.元古代（距今24亿～5.7亿年前）

在元古代，大陆性地壳逐渐由小变大，从薄增厚，火山活动相对减少，岩性也从偏基性向偏酸性转化。下元古界有巨厚的碎屑堆积，大有利于强烈的花岗岩化活动及导致大型侵入体的形成。由于大气中二氧化碳浓度降低和水中钙、镁离子增多，开始出现有化学沉积的碳酸盐岩。它将直接影响到岩浆过程的演化，导致碱性派生岩的出现。随着大气中游离氧的增加，氧化环境也开始出现了。生物的出现对环境的影响还不大，所以在元古界无大量的生物化学沉积。元古代末还发现有冰碛岩，这是全球性第一次大冰期的产物。

这时地球上的植物界第一次得到大发展，出现了数量较多的能进行光合作用与呼吸作用的较原始的低等植物，如绿藻、轮藻、褐藻、红藻等。这些微古生物已可用于地层的划分和对比。在元古代晚期，原始动物也出现了。如澳洲的埃迪卡拉生物群，其中有海绵、水母、节虫、扁虫及软体珊瑚等水生无脊索动物化石。在北美还发现有海绵骨针化石。

元古代有多次地壳运动，较广泛的有我国的五台运动、吕梁运动、澄江运动、蓟县运动等；北美有克诺勒运动、哈德逊运动、格伦维尔运动、贝尔特运动等。历次造山运动形成的褶皱带都使原有的小陆块逐渐拼合在一起成为古陆，后来都成为各大陆的古老褶皱基底和核心，前寒武纪陆台（或称地台），现在出露的只占陆地面积的1／5。

3.古生代（距今5.7亿～2.5亿年前）

古生代包括寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪。据研究，6亿～7亿年之前，大陆经历过多次分合，在元古代末期（晚前寒武纪），各分散陆块曾联合组成泛大陆。寒武纪时泛大陆发生分裂，在南部成为冈瓦纳大陆，北部分为北美、欧洲和亚洲三个大陆，彼此间被前海西海、前加里东海、前乌拉尔海和前特提斯海（前古地中海）所分隔。奥陶纪末开始发生加里东造山运动。至泥盆纪时，前加里东地槽已褶皱成山，古欧洲与北美合成一块大陆。晚石炭纪时经海西运动后，前海西地槽消失了，使欧美大陆与冈瓦纳大陆合并。至晚二叠纪，前乌拉尔海也消失了，亚欧大陆形成，全球又成为一个新的泛大陆。

各地质时代的地壳运动和海陆分合，对地理环境带来很大的变化：大陆分裂引起海侵，大陆合并引起海退；对生物演化也有重大的影响。在寒武纪，泛大陆发生分裂并引起海侵，大陆架广布，海生无脊索动物空前繁盛，其中以节肢动物的三叶虫占化石总数的60%，腕足类约占30%，其他仅占10%。这时海生植物也有向陆生植物过渡的迹象。自泥盆纪以后的晚古生代，大陆趋于合并，海退不断发生，许多海生无脊索动物的居留地消失，它们的种类和数量因而大减。相反，鱼类则全盛起来，陆生植物也日趋繁茂。地球表面从此结束了一片荒漠和无臭氧层的时代。至石炭、二叠纪又成为两栖动物的全盛时期，植物界也从孢子植物发展成为裸子植物。在石炭、二叠纪的各大陆都分布以蕨类为主的大森林，成为地质历史上重要的造煤时期。

4.中生代（距今2.5亿～6500万年前）

中生代包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪。现有许多资料证明，泛大陆的重新分裂发生于中生代，即始于晚三叠纪，主要分裂在侏罗纪和白垩纪，且一直延续到新生代。白垩纪时，北大西洋向北展宽，南大西洋已有一定规模，印度向东北漂移，印度洋也随之扩大，而古地中海则趋于缩小。(www.chuimin.cn)

中生代各地都有强烈的造山运动，欧洲有旧阿尔卑斯运动，美洲为内华达运动和拉拉米运动，中国为印支运动和燕山运动。这时褶皱、断裂和岩浆活动都极为活跃。在我国东部形成一系列华夏式隆起与凹陷，许多有色金属和稀有金属矿床的形成都与这时的岩浆活动有关，在断陷盆地中也形成煤、石油和油页岩等矿物。我国大陆的基本轮廓也在这时建立起来了。

生物界较古生代有很大发展。古生代末出现的裸子植物在中生代已成为最繁盛的门类，它们靠种子繁殖，受精过程完全摆脱了对水的依赖，更适于陆地的生境。这又是植物进化中的一次飞跃。像苏铁类、银杏类、松柏类等陆生植物的大量发展，不仅为成煤作用创造了有利的条件（如世界广泛分布的侏罗系煤层），而且也为爬行动物的发展提供了丰富的食物基础。

整个中生代，爬行动物成为当时最繁盛的脊索动物。在陆地上有食草和食肉的恐龙，在海上有鱼龙和蛇颈龙，在空中有翼龙。与此同时还出现有蜥蜴、龟、鳖、鳄鱼、蛙类和昆虫等。在海生无脊索动物中的菊石也极为昌盛。因此，有人把中生代称为恐龙时代、菊石时代或苏铁时代。但到白垩纪末，这些盛极一时的生物种类大都绝灭了，仅有一部分能残存下来。而当时已经出现但处于弱势的原始的鸟类和哺乳动物则进入了壮观的新生代；被子植物从此欣欣向荣。

5.新生代（6500万年前至今）

新生代包括老第三纪、新第三纪和第四纪，是距今最近的一个代。继中生代之后，海底继续扩张，澳洲与南极洲分离东非发生张裂，印度与亚欧大陆碰撞。在第三纪发生强烈的地壳运动，欧洲称为新阿尔卑斯运动，亚洲称喜马拉雅运动。在古地中海带（阿尔卑斯-喜马拉雅带）和环太平洋带形成一系列巨大的褶皱山体。在古老的地台区也发生拱曲、断层等差异性升降运动，在断陷盆地中广泛发育了红层。这次造山运动和伴随的海退作用，使从中生代继承下来的自然地理环境发生了显著的变化。

从全球来看，老第三纪地表主要是温暖潮湿的气候。在强烈的造山运动之后，大气环流系统，尤其是区域性环流系统也发生了变化，许多地方趋向于干冷。我国西部青藏高原的隆起，给东部季风环流系统以很大的影响，尤其是华南地区成为与同纬度地区不同的暖湿森林景观。在第四纪，由于温带和两极的气候进一步变冷，地球上发生了大规模的冰川作用，经历了多次冰期与间冰期的变化。生物也因生境的变化而变化。

在植物界，老第三纪以被子植物的大发展为特征，植物群落由原来单调的针叶林转变为花果丰硕的常绿阔叶林。当气候趋于干冷之后，许多地方的植被发生了旱生化现象。在新第三纪初出现了以单子叶草本植物为主的草原，在第四纪又出现了苔原。动物界以哺乳类的空前繁盛为特点，故新生代又称哺乳动物时代。湿热森林区繁茂的被子植物，对哺乳类的发展起很大的促进作用。昆虫的繁盛也与被子植物的发达有关。被子植物和昆虫的广泛分布又促进了鸟类的昌盛。当草原面积扩大后，在有蹄类和啮齿类中出现了许多食草性的草原动物群，随之而来的食肉动物也增加了。

特别重要的是在第四纪出现了人类。这是地球历史上具有重大意义的事件。人类经过复杂的发展过程之后，又逐渐成为干扰、控制和改造自然环境的一个重要的因素。所以，第四纪又被称为“灵生代”。

了解地壳运动和地球生物发展的历史，对今天的人们来说意味着什么呢？上天、下海和入地，一向被称为人类的三大梦想。这些梦想，从来没有像今天这样，与现实结合得如此紧密。刚刚离开我们的这个冬天，是我们经历过的少有暖冬；而正在到来的夏季，也将是几十年来最热的夏天。这些现象，是大自然的一种警示。警示的确切含义是什么？有科学家认为，答案一定来自地球内部。

为了探索地球内部，为人类和地球的未来找到新的方向。1996年正式启动国际大陆科学钻探计划，被称为人类的“入地计划”。迄今为止，全球有45个入地项目正在实施中。进入21世纪，“入地计划”经历了大的思路调整，其八大焦点，都是在为人类的未来寻找出路。这八大焦点是：全球变暖、撞击结构、地质生物圈和早期生命、火山体系和热场、地球活动断裂、地幔柱和大火成岩省、汇聚板块边界和碰撞带、自然资源。

其中，全球变暖这是国际大陆科学钻探关注的最大焦点。自从工业革命以来，地球上的气候确实发生了全球的和区域性的改变。自20世纪70年代以来，全球进一步变暖，海平面上升，区域性气候的改变，以及极端的气候灾变，严重影响了人类的生活环境。国际大陆科学钻探的科学家和组织者一致认为，科学家有责任开展研究，探讨当前和过去区域和全球的气候改变机理。在大陆科学钻探实施的45个项目中，有18个都与全球变暖有关。例如，2006年在危地马拉开展的湖泊钻探项目，其科学目标是研究古气候、玛雅热带雨林的古生态学和生物地理学，包括植被变化、人类的干扰、气候的改变和火灾等，其中也包括深湖中生物化学的循环，尤其强调微生物学与地球化学的结合，以及矿物形成和成岩作用。

对地质生物圈和早期生命也是研究重点之一。我们所指的生物圈是指行星地球上存在生命的部分，由岩石圈、水圈和大气圈这三个相互重叠的带组成。而地质生物圈，则增加了地质时间的概念，是指整个地质历史时期的生物圈。地质生物学的一项重要内容，是要研究生命的起源问题。据估算，地球上生物圈中大约90%的原核细胞存在于海洋和陆地表面以下的环境。但是，至今人们并不知道生物圈下部的深度界限，包括深部微生物构成、深部控制微生物数量和活动的因素，以及深部生命的界限等。认识这一点，对生命现象的理解与未来的预测，有非常重要的意义。国际大陆科学钻探，正是在这个时候、在这方面起了重要作用。美国已经开始了两个钻探项目，研究太古代的生物圈和早期生命演化。13个国家的60位科学家正计划在俄罗斯北极钻14个孔，研究地质历史上地球大气圈和海洋中氧上升的原因和时间表，以及生物的演化等。

火山活动是自地球形成以来一直存在的一种地质作用，它参与了地球各圈层的形成和演化，是行星上一个最基本的现象。强烈的火山喷发会造成严重灾害，但火山喷发也为人类提供了许多重要的矿产资源，还将地球内部的碳氢氧及其化合物带至地表，从而为地球上生命的起源和演化提供了物质基础。火成岩也是透视地球内部的窗口，其携带的各种岩石捕虏体就是来自地球内部的使者。通过火成岩的岩石学和地球化学研究，可以追踪和揭示地球内部物质组成及其演化过程。

我们生存着的大陆地壳，在地质历史上也像人一样有新生和死亡，新的陆地主要诞生在大洋中脊，消亡板块主要发生在俯冲带，即板块汇聚边缘和碰撞带。板块的俯冲归因于地球上大规模对流地幔的下沉作用。这个板块汇聚边缘的部分，往往扮演了最大的受冲击点，地应力集中，地壳遭受变形和被破坏，而地应力的聚集和释放往往会产生地震。2004年苏门答腊岛大地震、1960年智利南部的大地震、1964年阿拉斯加州的大地震和1923年摧毁东京的大地震，都发生在这个带上。地球上约60%人口居住在距海岸线50千米的范围内。因此，探讨边缘海的地质灾害以及它们的迁移，是科学和经济的需求。

2008年5月12日在四川汶川发生的8级大地震，使人民的生命财产遭受重大损失，人们探索地壳的历史以及地壳运动的奥秘的愿望更为强烈。而科学钻探对此类研究具有巨大的潜力，是一个完整的不可或缺的部分。

古老大地呼唤生命：地球的哭泣

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