地球的演变

地球总的历史已有46亿年,但人类产生才300万年左右,人类文明史却只有6000年左右,只是历史长河中短暂的一瞬.人类对漫长早期史的了解是不能直接观测到的,但是,地球史有其本身的发展规律及其周期系统,因而地球史呈现明显的阶段性,根据各种类型的岩石、化石、岩层变形的迹象、岩层或岩体之间关系等地质纪录,利用放射性同位素衰变测定法、氨基酸消旋测定法、古地磁法等现代科技手段的探测研究,可把地球演变发展史分为以下五个阶段：
一、地球的诞生和它的童年
地球是太阳系的一个成员,它跟太阳系的起源有密切的关系.这样,要认识地球形成和早期的演变历史,当然离不开探索整个太阳系的起源,而太阳系是众多恒星中的一员,因此我们可以根据恒星演变的一般规律推测太阳系以至地球的起源了.
一颗恒星的演化可以大体上分成三个阶段,第一阶段为引力收缩阶段,即弥漫星云间的相互引力而集中成一团团星云；第二阶段为核反应阶段,原始星云间相互碰撞发热,内部进行剧烈核反应；第三阶段是衰老阶段,即作为核聚变燃料氢和氮等逐步耗尽.
根据恒星演化一般规律,可推测大约在距今50～60亿年以前,一团星云开始集中,在引力收缩的过程中,这团星云的大部分物质进入中心,形成原始太阳,开始有了形体,并开始发光.之后,由内部核反应产生的巨大能量,使它每时每刻都在放射光和热.
地球最早可能是由大大小小的星云团集聚而成的,一般认为在距今47亿年前它已经增长到现代地球质量相近了.这时候的地球还只是许多微星的集合体,叫原地球,原地球在引力收缩和内部放射性元素衰变产生热的作用下,不断受热,当原地球内部温度达到足以使铁、镍等元素熔融时,铁、镍等元素迅速向地心集中,在46亿年前左右形成地核和地幔,地壳初步分异作用.原始地壳比较薄弱,而地球内部温度又很高,因此,火山频繁活动,从火山喷出的许多气体,构成原始大气,如CH4、NH3、H2、H2O（水蒸气）、H2S、HCH等,但无游离的氧（现在大气中的氧是光合生物蓝藻和绿色植物出现后长期积累起来的）.这种还原性大气在闪电、紫外线、冲击波、射线等能源下,形成一系列有机小分子化合物,有氨基酸、核苷酸等（这已被美国科学家米勒设计的模拟雷鸣闪电的火花放电装置使无机物合成有机物这个实验得到证实）.这些有机小分子化合物或直接落入原始海洋,或经由湖泊、河流汇集到原始海洋,在海洋中层长期积累、相互作用,在适当条件下,进一步缩合成结构原始、功能不专一的蛋白质、核酸等生物大分子,这些生物大分子在原始海洋中积累,浓度不断增加,凝聚成小滴状,形成多分子体系.在一定的进化概率和适宜的环境条件下,再经过长期不断进化,大约在35亿年前终于形成了具有新陈代谢和自我繁殖能力的原始生命体.此为生命演化的第一阶段,即非细胞生命阶段,实现了从非生命到生命转变的过程.
地球的童年,从距今46亿年形成时期起,大约延续到距今30亿年左右,一共15.16亿年.当然,对于地球的童年,现在知道的还不多,仍然是一个有待进一步探索的课题.
二、地球的少年时期
从距今30亿年左右到5.7亿年这段时间,地球进入了少年时期,也就是前古生代时期.虽然这个时期延续时间十分漫长,大气、水、生物圈也都有很大发展,可是生物界的进化却很缓慢,直到前古生代末期,地球上也还只是有菌类、藻类和一些低等原生动物、腕足类动物等.这跟寒武纪以后生物界突飞猛进的发展情况形成了鲜明对比.
地球进入少年时期是以最早出现小块陆核作为标志的,后来大陆就是由陆核逐渐扩大而形成的,地球上发现的有确凿证据的小块稳定陆核形成于距今28亿年前,地点在非洲南部.直到25亿年前,各大陆内相继形成若干个小块稳定陆地.后来在距今17亿年左右,地球经历了一次最有意义的稳定大陆形成事件,稳定大陆的面积在相对比较短的历史阶段里大大增加,大陆差不多接近了它现在的规模.但形成的大陆岩石圈（也称原地台）还比较薄弱,保留有相当的活动性,没有达到真正的稳定.
从原地台到地台的转变时期是从距今17亿年到距今14亿年左右,根据科学家对资料的研究分析来看,原地台曾多次被来自地球内部的力量所打碎,又不断被下面涌上来的岩浆物质所胶结,变得越来越厚,越来越稳定,因此,距今14亿年左右是稳定大陆最终形成时期,地球岩石圈的演变进入了一个新的阶段.
在此时期,生物界的发展进入第二阶段,即原核细胞阶段,这一阶段生命已经有了细胞形态,有真正的细胞膜,但是还没有真正的细胞核,分不出真正的核膜和核仁.主要以在28～20亿年前最为盛行的蓝藻为代表,它能进行真正的光合作用,吸收二氧化碳,放出氧气,使早期地球的还原性大气逐步被氧化型大气所替代,其后接着进入到第三阶段的进化,出现了真核细胞,从原核细胞发展到真核细胞是生物界完成的最重要的一次进化.
三、地球的古生代时期
古生代时期的地层可分成早、晚两期,早古生代分为寒武、奥陶、志留三个纪,从距今大约5.7亿年到4亿年；晚古生代包括泥盆、石炭、三叠三个纪,距今4亿年到2.3亿年.这3.4亿年时间是最古老生命的时代,地球到这个时期已经历了几十亿年的演变.从寒武纪开始,地台经过长期风化、剥蚀、搬运等外力地质作用,地球表面高低差异减少（即平夷作用）,低洼区域屡遭海水浸漫,浅海面积不断扩大.此时期是地球上最早出现可利用的煤的时期,如我国南方的一种煤—石煤,就是由生活在滨海、浅海的海生植物遗体大量聚集石化而形成的.到了志留纪末期,地台周围和地台之间的地槽区发生了加里东（英国的一个山名）运动的大变动,延续时间为几百万年.原来低平地区重新被抬高,简单地貌复杂起来.经过这场变动之后,有的地方发生了倾斜、褶皱,有的地方发生断裂,大陆总面积扩大.随着平夷作用的又一次进行,地球地势又逐渐趋向平缓,太平洋若干地区重新发生海浸,在石炭纪中期,海浸规模达到最大.从石炭纪晚期开始,强烈的构造运动使地槽里的沉积岩和火山岩层产生剧烈的褶皱,转化成褶皱山系,构造运动此起彼伏,一直延续到晚古生代末期才完成,这个运动叫华力西（阿尔卑斯山脉中的华力西山）运动.
华力西运动使位于欧洲和非洲之间的地槽,东欧地台和西伯利亚地台之间的乌拉尔地槽、西伯利亚、中亚、中国地台之间的广大地槽区、北美、东缘的阿巴拉契亚地槽都转化成褶皱山系,海水退出,使欧亚大陆连成一片.全球大陆块达到最大程度的相互接近,这就形成了全球统一大陆——潘加亚大陆,大陆总面积已经跟今天地球上的大陆总面积相差无几了.
在前古生代末期,植物和动物已经分化.在植物界中,蓝藻和菌类繁盛；在动物界中,已经出现低等无脊椎动物,进入寒武纪,植物界中的红藻、绿藻等开始繁盛；动物界中,若干门类无脊椎动物,尤其是三叶虫突发性开始繁荣.奥陶纪的海洋里,植物界中藻类广泛发育,海生无脊椎动物中以头足类居多,在奥陶纪晚期,已经出现了原始的没有颌的圆口鱼形脊椎动物——无颌类.真正的鱼类是出现在志留纪晚期.到了泥盆纪时,鱼类已经很繁盛,是当时最高等的动物.其中有一种总鳍鱼,以后发展成为两栖类.
由于加里东运动,使大陆面积扩大,某些海洋消失,环境剧烈变化,使那些适应性强的生物种类生存了下来.在泥盆纪中期,陆生植物得到很大的发展,许多种属已经长成大树,并且出现了昆虫、两栖类.到石炭纪中期,出现了森林,昆虫也进一步向空中发展,同时由两栖类进化而来的爬行类也出现了,后来的华力西运动,使海水退去,大陆面积更加扩大,使生物界向大陆进军的进程又大大推进了一步,总的来说,在古生代时期,植物界从低等的水生藻类进化成比较高等的陆生植物,动物界从比较低等的海洋无脊椎动物进化到鱼类和陆生爬行类动物,完成了向大陆进军.
四、地球的中生代时期
中生代时期分为三叠、侏罗、白垩三个纪,从距今2.3亿年起到6700万年前结束,延续时间大约1.6亿年.
中生代开始以后,地球史发展出现了新的转折,潘加亚大陆逐步解体,各个陆块渐渐趋向于漂移到现代所处的位置,岩石圈又经历了一系列重要的变动.中生代开始经二三千万年,到了三叠纪末期,在北美、南美之间和欧亚、非洲之间发生了分裂,在南部的几个陆块之间也发生分裂,开始互相移开；到了侏罗纪晚期,各个陆块进一步分裂,在北美和欧亚大陆之间,南美和非洲之间产生了一条大体上是南北方向的巨大裂隙,陆块向两边移开,海水浸进去,这就是未来的大西洋；又过了七千万年,到了白垩纪晚期,情况又进一步变化,各大陆继续互相移开,最显著的是南美和非洲之间的距离加大,也就是说南大西洋有了明显的扩张.
以上所说的中生代时期大陆分裂的历史根据是什么?分裂原因又是什么?这得从下面的假说说起.
首先是奥地利地球物理学家魏格纳（A.L.Wegenge,1880～1930）于1912年提出的大陆漂移假说,他认为地球是一个由热变冷的天体,它的表层先冷却,凝结成固体的地壳,地壳的上层是较轻的硅铝层,它的下层是较重的硅镁层,处于熔融状态.如同冰块浮在水面上一样,大陆也是浮在它的基底——硅镁层之上的.潘加大陆由于地球向东自转和潮汐力的作用,原始大陆缓慢地向西移动,以后出现了裂缝,崩解.他还认为,太平洋是古老的大洋,同原始大陆一起存在,后来因为美洲大陆向西漂移,它的范围逐渐缩小,缩小面积等于大西洋扩大的面积,印度洋是在澳大利亚和南极大陆分离后才出现的,至于北冰洋,它原来就是太平洋的一部分,在地质学和古生物学的文献资料中找到了大陆漂移的论据：南美洲东岸的西依拉山脉和非洲西岸的开普山脉,不仅地质构造相同,而且它们的矿层成份和年龄都一样；其次是古生物资料,那时代的古生物研究证明,南半球的几个大陆上,石炭纪时期的爬行动物中,有64％的种是共同的,到了三叠纪时,也就是推测南半球的几个大陆已经分裂了一段时间之后,几个大陆爬行动物*同种已经下降到34％；再次是根据古气候资料,用古气候条件的特殊沉积物,如反映古赤道气候的由热带植物形成的煤层、反映干热气候条件的盐类沉积等进行分析,发现其跑到了今天的高纬度地区,而反映古极区的冰碛却跑到了今天的赤道地区,也称为极移.但是,这个假说在盛行一时之后便遭冷落了.
直到本世纪五十年代初期,古地磁学的兴起,研究证明大陆漂移的轨迹与古地磁学是吻合的.地球磁场分南北两极,亿万年前形成的岩石层中,保留着当时的磁性纪录,利用精密仪器,对岩石剩余磁性的测定,可以知道不同大陆在不同地质时代的地磁北极的位置及其移动,研究表明,各大陆测定地磁北极在相应地质时代移动路线不同,最终都在今天会合于磁北极.
其次是六十年代初,美国学者赫斯(H.H.Hess,1906～?)和迪茨(R.S.Dietz,1914～?)提出了海底扩张假说,这个假说的基本思想是：热的、具有一定塑性的物质从下面的软流圈里上涌,通过岩石圈里的裂缝,在未来的洋脊轴部侵入,涌出的岩浆冷凝成新的洋底,并推动原始洋底向二侧扩张,大陆随之漂移.经过一段时间以后,新的洋底不断加宽,已经裂开的大陆壳被带到离大洋裂谷更远的地方.
既然新的大洋岩石圈不断地从每个大洋里产生,老的大洋岩石圈向外移开,大洋在扩张,长此下去,地球体积不是越来越膨大了吗?直到后来海底扩张假说和大陆漂移假说相互结合后,才说明了这个问题,那就是不断增生的大洋岩石圈在地球的另外一些地方又重新回到软流圈里去而消亡了,这跟全球性地震活动带的研究密切相关.从而使地球科学中形成一个完整而系统的,能从宏观上阐述地球上层发生的各种运动的学说——板块构造学说.此学说把地壳分为太平洋板块、印度洋板块、欧亚板块、非洲板块、南极洲板块和美洲板块,每板块又分成几个小块.所有的这些板块构成一层岩石圈.各板块的交界处是地壳的活动地带,板块随着洋底扩张而移动.洋脊附近是板块生长带,有大西洋中脊、印度洋中脊、东太平洋隆起这三处.海沟附近是板块消减带,就是太平洋东、西边缘海沟部分.当密度较大的板块向密度较小的板块俯冲时,引起强烈地震和火山作用；仰冲则形成岛屿或高大山系.
中生代的气候条件总的说来是有利于动植物发展的,中生代早期的植物以裸子植物松柏、苏铁、银杏以及某些真蕨为主.到中生代晚期,出现了能够真正开花结果的植物——被子植物,被子植物是植物界中最高等的门类,它们在传播和繁殖后代方面具有显著优越性.在动物界里,中生代常常被称为爬行动物时代,其中以恐龙最为繁盛,到侏罗纪时期成为地球的霸主,但是在白垩纪却突然绝灭了,究其原因,至今还是得不到恰当解释的科学之迷.从爬行动物发展而来的两类更高级脊椎动物——鸟类和哺乳类,也在中生代时出现了.
五、地球的新生代时期
新生代时期是地质历史时期中最新的一个时代,包括现代在内整个新生代大约为6700万年,由第三纪和第四纪组成.
虽然新生代延续时间相对较短,但就在这个时期,地球表面海陆分布、气候状况,生物界面貌逐渐演变到现代的样子.
新生代时期最突出的事件是非洲跟欧洲的接近和印巴次大陆跟亚洲的相撞,其结果使一部分岩石圈上层物质互相推挤,形成了横亘于南北半球之间,绵延几乎达到地球半周的最雄伟的山系和高原,它西起非洲北部的阿特拉斯山,经南欧的阿尔卑斯山,东延是喀尔巴阡山,接高加索山、土耳其和伊朗的高原和山地、帕米尔高原和山地,向东就是世界屋脊喜马拉雅山和青藏高原,再向东南去,中南半岛和印尼诸岛的山脉也都跟它相连.这就是阿尔卑斯山造山运动和喜马拉雅山造山运动的产物.
太平洋跟周边大陆的相互挤压作用也使大陆边缘的构造带持续发生了强烈的变形和岩浆作用,并且伴有强烈的地震活动,这些作用一直到现代还在进行.以及被各个地质历史时期的运动所形成的断裂切割成大大小小的断块,在大陆边缘各种作用和岩石圈物质运动的影响之下,发生了互相推挤,拉开或相对升降,形成了山地、高原、盆地和平原.
新生代早期的动物主要有两大类：古有蹄类和古食肉类,随着它们的进化,到了第三纪中、晚期,古有蹄类先是有奇蹄类,如马、犀等,后有偶蹄类,如羊、牛等；古食肉类也渐渐进化成各种猛兽,如狮、豹、虎等.生物经过几十亿年的进化,走过了从无到有、从低级到高级的许多发展阶段,终于在最新地质历史时期产生了生命之花——人类.人类的进化是生物界长期演变的结果.
促成地球演变的因素,总的来说,不外乎内外两个方面.外部因素就是在地球外部的大气圈、水圈、生物圈里的作用力,它所引起的地质作用就是风化、剥蚀、沉积等作用.它的主要能源是太阳能、地球的重力.另外还有太阳、月亮对地球的引潮力,以及地球时期历史中的陨石冲击作用等.内部因素主要有两个方面：一是蕴藏在地球内部的放射性元素衰变产生的热；一是由重力能转变而来的能.内外两方面的因素相互依存,又相互矛盾,共同决定着地球表层和内部的物质运动.
如果从十九世纪中叶赖尔的名著《地质学原理》出版算起,到现在已经有一百多年了.经过许多地球科学家的努力,再上天文学、物理学、化学、生物学、数学等基础学科的发展和技术进步对其的促进,地球演变研究已经取得了巨大进展.然而由于问题的复杂性,科学家们在一些涉及地球演淅返闹卮笪侍馍先匀淮嬖谘现胤制纭?
纵观科学地球史这门学科的发展,可以这样说：地球科学家正处在取得认识上新的飞跃的前夕.未来的地球科学家们一定能把科学地球史这门重要的基础学科推向一个崭新的发展时期.