第2章 地球的起源與演化

地球科學(xué)概論

■自然災(zāi)害與減災(zāi)

■緒論■地球的起源與演化■地球的物理性質(zhì)■地球的圈層■板塊運動與地質(zhì)作用■大氣圈■水圈■地表形態(tài)■生物圈■地球環(huán)境及其變遷■自然資源及其利用

森林資源與環(huán)境學(xué)院主講：林國忠

njfulin@地球的起源與演化

地球環(huán)境與人類第2章

●地球的起源和圈層分異

●地球的年齡及其測定

●地球生物演化歷程

太空看地球

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地中海在浩瀚的宇宙中數(shù)以億計的星系中，有一個普通的旋渦星系，我們稱之為銀河系。銀河系中大約有3000億顆恒星，其中有一顆不起眼的有行星環(huán)繞的恒星，我們稱之為太陽。地球，是太陽的第三顆行星。宇宙中的地球，其渺小，是不能用“滄海一粟”描繪的。但她孕育了生命，孕育了人類，這在我們已知的范圍內(nèi)，是獨一無二的。

地球環(huán)境與人類早期的地球

地球環(huán)境與人類地球的歷史將近有46億年，而地球上已知最老巖石的年齡約為38億年。這樣就有8億年歷史沒有留下巖石記錄。因此地球的起源及其地殼、大氣與大洋的早期演化歷史，只能根據(jù)間接證據(jù)去推斷。根據(jù)對恒星早期演化階段的觀察，并運用比較的方法，我們可以推斷太陽系的形成過程。而地球的地殼、地幔、大氣與大洋的形成與發(fā)展，則可根據(jù)對月球、隕石、小行星、其他行星及太陽的研究進行推斷。第二章地球的起源與演化地球的起源

地球環(huán)境與人類第二章地球的起源與演化地球起源問題自18世紀(jì)中葉以來同樣存在多種學(xué)說。目前較流行的看法是，大約在46億年前，從太陽星云中開始分化出原始地球，溫度較低，輕重元素渾然一體，并無分層結(jié)構(gòu)。P43塌縮與吸積理論

地球環(huán)境與人類行星是一步一步地逐漸增大其體積的。斯米特(1944)：宇宙塵團聚在一起成為顆粒，顆粒變成礫石。礫石變成小球，然后變成大球，再變成微行星（即星子），最后，塵埃終于變成了月球那樣的大小。隨著星體越來越大，它們的數(shù)目就減少?？茖W(xué)家們過去常認(rèn)為包括地球、水星、金星、火星在內(nèi)的石質(zhì)行星是一塊塵埃云快速引力坍縮而形成的。這種坍縮產(chǎn)生了致密的球體。地核、地幔、地殼

的分離

地球環(huán)境與人類原始地球一旦形成，有利于繼續(xù)吸積太陽星云物質(zhì)使體積和質(zhì)量不斷增大，同時因重力分異和放射性元素蛻變而增加溫度。當(dāng)原始地球內(nèi)部物質(zhì)增溫達(dá)到熔融狀態(tài)時，重者下沉，輕者上浮。比重大而熔點低的鐵、鎳等元素最先分離出來并向地心集中，形成地核。在重力分異過程中，還伴隨著物質(zhì)的位能向熱能轉(zhuǎn)化。因而，地內(nèi)上層的巖石也相繼發(fā)生熔融，較輕的鐵鎂硅酸鹽物質(zhì)向上集中，形成原始地幔。原始地幔的表層同時在失熱、變硬，遂形成堅硬外殼，這就是原始地殼。大氣圈及水圈的形成與演化

地球環(huán)境與人類隕石沖擊時釋放的物質(zhì)；來自太陽星云中的氣體部分；由火山活動所釋放的物質(zhì)形成的。地球的年齡

地球環(huán)境與人類根據(jù)多方面資料相互印證，地球具有46×108年年齡的結(jié)論已經(jīng)得到公認(rèn)。(P43-45)為追溯地球的歷史，需要知道地質(zhì)體的年齡，推算各種地質(zhì)事件發(fā)生的時代。——

地質(zhì)時鐘第二章地球的起源與演化地質(zhì)年代表（P57）地質(zhì)時間的早期估算

地球環(huán)境與人類1658年，愛爾蘭大主教厄謝爾（J.Ussher）認(rèn)為地球誕生于公元前4004年，這個時間是以圣經(jīng)里的紀(jì)年做為基礎(chǔ)計算出來的。（一）沉積速率：公元前五世紀(jì)，希羅多德（Herodotus）尼羅河三角洲17至1584百萬年。（二）海洋里的鹽：100百萬年（三）冷卻速率：十九世紀(jì)，英國物理學(xué)家開爾文（L.Kelvin）根據(jù)地球的冷卻速率確定地球的年齡為70百萬年。第二章地球的起源與演化相對年代

地球環(huán)境與人類相對年代的測定是通過沉積巖層的層序、原始構(gòu)造、不整合、穿插構(gòu)造和隕石坑來確定的。同位素年齡測定

地球環(huán)境與人類1896年，貝克勒爾（A.H.Becquerel）觀察了含鈾礦物（如瀝青鈾礦）能使封閉的照相底片感光，這是X射線產(chǎn)生的作用。隨后證明了鈾能自然衰變，它以粒子和電磁輻射的形式放出能量（即放射性）。后來放射性衰變成為地質(zhì)學(xué)家確定地球及巖石形成時代的重要手段。同位素年代學(xué)P43-44第二章地球的起源與演化其他測年方法

地球環(huán)境與人類樹年代學(xué)

氨基酸年齡測定

古生物鐘

古地磁年齡測定

紋泥

第二章地球的起源與演化生命起源

地球環(huán)境與人類生命的歷史未必是循序的，它肯定是難以預(yù)料的。地球上生命的進化是通過一系列意外的偶發(fā)事件來實現(xiàn)的?？茖W(xué)家們正為探索地球上何時何處以及怎樣（這是最重要的）出現(xiàn)第一次生命作出不懈的努力。生命的元素

地球環(huán)境與人類地球上有很多種元素，但用于構(gòu)成生命的元素并不多，主要有C、H、O、N四種，此外還有S、P及其他一些微量元素。我們知道組成生命的主要物質(zhì)是蛋白質(zhì)、水分和無機鹽三大類。元素分析表明，蛋白質(zhì)一般含碳50%～55%、氧20%～23%、氮15%～18%、氫6%～8%、硫0%～4%，有些蛋白質(zhì)還含有微量的P、Fe、Zn、Cu、Mo等。第二章地球的起源與演化宇宙中的生命分子

地球環(huán)境與人類1969年斯奈德(L.E.Snyder)觀測到有機分子甲醛(HCHO)的6cm譜線，被譽為20世紀(jì)60年代天體物理的重大發(fā)現(xiàn)，激發(fā)了天文學(xué)家去探索星際分子的熱情。

到1991年，已發(fā)現(xiàn)92種星際分子，2000多條分子譜線。最新的消息是美國伊利諾斯州立大學(xué)的射電天文學(xué)家路易斯·辛德通過頻譜在靠近銀河系中心的星云中發(fā)現(xiàn)了生命分子——氨基酸，這一發(fā)現(xiàn)有可能解釋生命的起源問題。第二章地球的起源與演化最古老的巖石和生命記錄

地球環(huán)境與人類加拿大北部的一組變質(zhì)巖——阿卡斯卡片麻巖是已知最古老的、保存完好的地球表面一部分。放射性年代測定表明阿卡斯卡片麻巖有將近40億年的年齡，這證明某些大陸物質(zhì)在地球形成之后幾億年就已經(jīng)存在了。中國最古老的巖石

地球環(huán)境與人類目前在中國發(fā)現(xiàn)的最古老的巖石是河北省冀東地區(qū)的花崗質(zhì)片麻巖，其中包體的巖石年齡為35億年。右圖中南京大學(xué)徐克勤教授腳下的暗色包體即是這一年齡最老的巖石。生命演化歷程

地球環(huán)境與人類元素演化

地球環(huán)境與人類生命的起源和演化是和宇宙的起源和演化密切關(guān)聯(lián)的，生命的構(gòu)成元素如碳、氫、氧、氮、硫和磷等都是“大爆炸”的產(chǎn)物。在星系演化中，某些生物單分子，如氨基酸、嘌呤、嘧啶等形成于星系塵?；蚰鄣男窃浦?，接著在一定的條件下，產(chǎn)生了像多肽多聚核苷酸等生物高分子。第二章地球的起源與演化化學(xué)演化

地球環(huán)境與人類發(fā)生在地球上最簡單的生命（有細(xì)胞結(jié)構(gòu)）出現(xiàn)之前的演化過程。可以分為兩個階段：

（1）生物單分子的形成：例如氨基酸、嘌呤、嘧啶、單核苷酸、ATP等高能化合物、脂肪酸、卟啉等化合物的非生物合成；

（2）生物高分子的形成：即生物單分子聚合為生物大分子（多聚化合物），例如由氨基酸聚合為多肽或蛋白質(zhì)，由單核苷酸聚合為多核苷酸等。其后的演化為生物學(xué)演化；而介于化學(xué)演化和生物學(xué)演化之間的還有一個特殊的過渡階段——前生物演化。第二章地球的起源與演化生物學(xué)演化

地球環(huán)境與人類

地球上第一個單細(xì)胞原始生命的出現(xiàn)標(biāo)志著生命演化進入了一個新階段——生物學(xué)演化。

生物學(xué)的演化又可以分為早期和晚期兩個階段。早期生物學(xué)的演化又可稱為細(xì)胞演化階段；晚期生物學(xué)演化又可稱之為組織器官演化階段，或系統(tǒng)演化階段。細(xì)胞演化階段是從原始的單細(xì)胞生命產(chǎn)生到后生動植物的大量出現(xiàn)，持續(xù)了25億年以上。后生動植物出現(xiàn)后，生物進入系統(tǒng)演化階段，在大約7億年的時間內(nèi)，數(shù)以千萬計的物種經(jīng)歷了形成和絕滅的演化歷程。第二章地球的起源與演化最老的有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生命的證據(jù)

地球環(huán)境與人類古生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)的最老的有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生命的證據(jù)是西澳大利亞的Warrawoona微生物化石群（35億年），表明地殼形成后不到3億年生物演化就開始了。生命的分類

地球環(huán)境與人類傳統(tǒng)分類學(xué)家將地球上的生命劃分為兩個界，即植物界和動物界。70年代，康奈爾大學(xué)的生態(tài)學(xué)家H·魏塔克提出一種五界系統(tǒng)，說明生命的構(gòu)成（《科學(xué)》，1969）。后來，波士頓大學(xué)的生物學(xué)家林恩·馬古利斯支持并擴充了魏塔克的框架（《進化生物學(xué)》，1974）。專家們現(xiàn)在提出，生命中最基本的劃分并不是在“高等”的植物與動物之間，而是在單細(xì)胞之間。第二章地球的起源與演化生命之樹五界系統(tǒng)

地球環(huán)境與人類

五界系統(tǒng)按復(fù)雜性增加的三個層次排列生命：原核的單細(xì)胞（原核生物界）；真核的單細(xì)胞（原生生物界）；真核的多細(xì)胞（植物界、真菌界和動物界）。

隨著生物層次的上升，生物變得愈加多樣化，因為生物結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的增加，變異的機會增多。多細(xì)胞生命的三個界代表了一種生態(tài)的和形態(tài)的分類。植物（生產(chǎn)）、真菌（還原）和動物（消費）代表了我們這個世界上三種主要生存方式。第二章地球的起源與演化原核細(xì)胞向真核細(xì)胞的過渡

地球環(huán)境與人類古老而原始的生命在經(jīng)歷前顯生宙前期近20億年的進化之后，到距今約19億年前開始出現(xiàn)第一次繁榮，其標(biāo)志是細(xì)菌與藍(lán)藻的大發(fā)展，并且出現(xiàn)了真核生物。真核生物的出現(xiàn)標(biāo)志著生命細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完善，現(xiàn)代生命都是從19億年前真核生物出現(xiàn)的原點上輻射進化而來的。此外，還必須指出，從19億年～9億年前我們的星球仍然是水生菌、藻生物的世界，到目前為止仍然沒有發(fā)現(xiàn)較高等的植物。證據(jù)：加拿大安大略的岡弗林鐵建造（GunflintIronFormation）中的微化石群。同位素年齡測定該建造為19.5億年。

第二章地球的起源與演化真核生物的出現(xiàn)

地球環(huán)境與人類真核生物只能出現(xiàn)在地球大氣圈含氧量增加到一定程度，即最初大氣圈形成之后。這不僅因為真核生物進行有氧代謝，有些分裂本身就是需氧過程，而且因為真核細(xì)胞不能防御強烈紫外線的損傷，只有當(dāng)與氧化大氣圈形成的同時，大氣層外的臭氧屏蔽層也形成以后，地球上才能有真核生物生存。證據(jù)：澳大利亞的苦泉(BitterSpring)組灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)，其年齡約為10～9億年，其中有些細(xì)胞呈現(xiàn)出正在進行細(xì)胞分裂的狀態(tài)。

第二章地球的起源與演化后生動物的出現(xiàn)

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從無殼到有殼的演化

地球環(huán)境與人類最早的動物化石出現(xiàn)在前寒武紀(jì)晚期。軟軀體后生動物在震旦紀(jì)冰期之后得到突發(fā)性的迅猛發(fā)展，在距今7億～6億年間成為海洋生物的統(tǒng)治者。進入寒武紀(jì)（距今6億年）后，軟軀體后生動物衰退，帶殼后生動物隨之興起。

這一生物發(fā)展階段可分為前埃迪卡拉和埃迪卡拉兩個亞階段。前埃迪卡拉亞階段以中國的淮南生物群為代表，埃迪卡拉亞階段以澳大利亞的埃迪卡拉動物群為代表。

第二章地球的起源與演化淮南生物群

地球環(huán)境與人類最早的動物化石出現(xiàn)在前寒武紀(jì)晚期，時限距今8億年～7.5億年前，以中國淮南下震旦群下部劉老碑組內(nèi)保存的動物化石為代表，被命名為淮南生物群，其特征是動物體沒有硬殼，化石以軟軀體的印模和活動遺跡保存，主要是一些蠕蟲類、查爾生物類。共生的有帶藻和疑源類植物的組合。如查爾生物類（Chuarid）、蠕蟲類，以及海生藻類中的帶藻。埃迪卡拉動物群

地球環(huán)境與人類埃迪卡拉（Ediacaran）動物群是Sprigg于1947年在澳大利亞中南部Ediacara地區(qū)的龐德砂巖層中首先發(fā)現(xiàn)的。最初人們未