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第12章 地球的形成和变化

原来地球上并没有生物,地球形成后,地球表面的温度不断发生变化,随着地球的温度变化逐渐产生原始生命。生物进化的历史是和地球变化的历史相联系的。

地球是太阳系的一员,它的诞生是和整个太阳系的诞生分不开的,大约在46亿年前,形成了太阳系,也产生了地球。

地球是由地壳、地幔和地核构成的,地球表面以上的各圈层包括大气圈、水圈、生物圈。如果把地球比作鸡蛋,地壳就是蛋壳,地幔就是蛋白,地核就是蛋黄。自地球形成以来,地壳就一直在运动着、变化着。地壳的运动虽然极其缓慢,也会使地球表面发生变化。地壳的岩石形成也有先有后,由于地球变化非常缓慢,所以生物进化年代不是以年月来划分的,而是用宙、代、纪、世、期来划分。地球的地层也相应由宇、宙、系、统、层来表示。地质年代的“宙”是以是否出现生命作为划分界限的。

我们赖以生存的地球诞生于距今约46亿年以前,当时的地球是怎样形成的?就这个问题,人们一直为此苦苦追寻,但到现在为止,仍然说法不一,还有待进一步探索。地球的形成,也就是太阳系的形成,两者是密不可分的,这里简单介绍两类观点:一类是演化说,主要观点认为太阳系是有条不紊地逐渐演变而形成的。1796年,法国著名学者拉普拉斯提出了星云学说,他认为形成地球和太阳系的原始星云,最初是一个球形,它具有很高的温度,缓慢地旋转着。由于炽热的星云逐渐冷却、收缩,从而旋转加快,随之赤道部分的离心力也就越来越大,于是抛出一个又一个的气体环,围绕着星云中心旋转,最后中心部分就形成了太阳。各个环的物质破裂,凝集成围绕太阳旋转的行星。同样,组成行星的星云体也生成环,环破裂而形成卫星,这样就形成了整个太阳系。

另一类是灾变说,主要观点认为太阳系是一次激烈的偶然突变而产生的。20世纪初,英国金斯提出的潮汐说影响最大。这个假说认为在几十亿年以前,突然有一颗恒星向太阳驶来,当它到达太阳附近时,由于它的巨大引力作用,从太阳表面吸引出去一股像雪茄形状的巨大气体流,就在太阳表面引起潮汐。恒星过后,这股潮汐物质离开太阳,逐渐冷却、凝聚而成为九大行星。

按星云学说,地球作为一颗行星,远在46亿年以前,与太阳及其他行星共同起源于原始太阳星云,同其他行星一样,地球也经历了吸引、碰撞这样一些物理演化过程。

地球胎形成伊始,温度较低,各种物质混杂在一起,并无分层结构,是一个接近均质的球体,表面也没有海洋,原始大气已逃逸殆尽,更谈不上有什么生物,这种物质的现象是相对的、暂时的。毫无阻挡的地球胎在大量陨石的频繁轰击下,尤其是内部放射性物质的衰变放热,以及原始地球的重力收缩,地球内部温度逐渐升高,大约在距今4.5亿年前后这段时间内,地球内部温度已很高(有人估计这时内部温度大约为1500开氏度~2000开氏度,这个温度足以使铁熔化)。随着温度的升高,地球内部的物质也就具有越来越大的可塑性,并出现局部熔融现象。这时物质在重力的作用下开始分离,地球外部较重的物质逐渐下沉,地球内部的较轻物质逐渐上升,一些重的元素沉到地球中心,逐步形成一个密度较大的地核,比重小些的元素构成包围在地核外面的地幔,组成地幔的物质也有轻重的差别,它们又进一步分化,较轻的元素从地幔中分离出来,上升形成地壳。正是由于物质的对流伴随着大规模的化学分离,最后使地球逐渐形成了地核、地幔和地壳等内部圈层。

地球外部圈层中的大气层形成不是来源于原始太阳星云,因为在地球胎形成时,其外围的原始大气已逃逸殆尽,不存在包围在外的大气层。那现在大气圈中的大气怎么来的呢?在地球演化过程中,伴随着地球内部物质的分离和重新组合,原先存在于地球内部的各种气体随岩浆一起被喷出地面,在地球引力作用下,陆续被喷出的大量气体聚集在地球周围形成原始大气,它的成分主要是一氧化碳、甲烷、氢、氨和水汽,那时还没有氧。只有在大气圈上层的水蒸气被高能紫外线的辐射分解后,才产生少量的氧,其数量不超过今天大气中氧含量的0.1%。地球上的生命物质最初是在没有氧的情况下产生出来的,那时氧对生命物质还是一种有害的东西。后来,当地球上出现绿色植物后,它们利用阳光作能源,大气中的二氧化碳为原料,通过光合作用制造养料组成自己的机体,然后把氧作为废物排出体外,空气中的游离氧越来越多,从而为多细胞生物的出现打下基础,正是在各个圈层的相互作用下,原始大气逐步发展成现代大气。

水是在大气的基础上形成的,放射性元素衰变放热等因素使地球内部温度升高后,地球内部的结晶水也随之汽化,火山喷出的气体中有60%~90%是水蒸汽,原始地球中的水蒸汽随同其他气体上升到地面后,成了原始大气圈的组成部分。后来由于地表温度逐步降低,飘忽在大气中的水蒸汽渐渐凝结成水滴,以降雨形式落到地面。经过降落、蒸发、再降落这样反反复复的过程,地表温度进一步降低,空气中的水蒸汽愈来愈少,地面上的液态水愈来愈多。降落到地面上的液态水,一部分渗透到岩石里成为地下水;一部分汇集在大大小小的隙谷中,形成潺潺溪流和滔滔江河;更多的则随着地壳的变动蓄积在它所造成的洼地中,成为地球上最早的巨大水体——原始海洋。它们共同构成了地球上的原始水圈。水圈刚刚形成时,由于氯化氢被溶解在水中,因此,当时的海水不是咸的,而是酸性很强的水体。后来由于各个圈层的相互作用,溶解在水中的酸渐渐被中和,各种盐类不断增加,才使海水慢慢具有了今天的特征。

原始海洋

地球内、外部圈层的分化,特别是原始大气圈和原始水圈的先后形成,为生命的产生创造了先决条件。在此基础上,地上原先仅有的无机物通过化学演化的途径,经过漫长的曲折的演化过程,终于在约30多亿年前孕育诞生了原始生命,之后,原始生命又在与外界环境长期的相互作用过程中,不断繁衍进化,形成了繁荣的生物圈,从而使地球在太阳系中、甚至在整个银河系中处于一种独特的地位。

人类绝大部分的生产、生活活动是落实在地壳上,所以地壳对人类最重要。

地壳有一部漫长的、不断变化、不断发展的历史。人们根据地层顺序、生物演化阶段、地壳运动和岩石的年龄等,把地球的历史分成五个代:太古代、元古代、古生代、中生代、新生代,每个代又分为若干个纪。太古代地形距今最远的是太古代,当时的地壳是一个混沌初开的世界,几乎一片汪洋,陆地很少。

海洋里分散着一些火山岛,陆地上只有些秃山,一片荒凉。地壳的厚度不大,不像现在的坚固和复杂,所以地下的岩浆不断地从裂缝或地壳薄弱的地方喷出。到处硝烟弥漫,火光冲天,更多的火山是在海底喷发,灼热的岩浆和海水进行了惊天动地的水火搏斗,冷凝的岩浆逐渐堆砌而终于露出海面成为一些岛屿,使陆地面积逐渐扩大。随岩浆活动,组成地壳的岩层时常发生弯曲和断裂。地球被二氧化碳含量很高的大气笼罩,大气中经常电闪雷鸣,很不平静。我国的泰山在此时有幸屹立在海面之上,它历经十几亿年的风吹雨打,几度沉浮,早已成为一位弯腰曲背、布满皱纹的山脉老人了。

在太古代的海洋中,只有少量的低等原始生物。从元古代起,海洋中已有原始无脊椎动物和海生藻类出现,这种简单原始动物,由于没有较硬的外壳,所以很难保存下来成为化石,这就使人类对这两个地质时代的了解增加了很大困难。到元古代晚期,海生藻类进一步发展,而陆地上基本上还是光秃秃的,没有生物出现。元古代时,现在的陆地仍大部分被海洋占据,到了晚期出现了若干大片陆地。

古生代是地球发展史上的一个重要阶段,古生代包括六个“纪”,通常把其中的寒武纪、奥陶纪和志留纪称为“早古生代”,把泥盆纪、石炭纪和二叠纪称为“晚古生代”。

早古生代距今约4亿~6亿年。这时的地壳进一步稳定,海洋面积仍然很大,并出现了广阔的浅海环境,在这种情况下,海生生物繁盛起来。在植物方面,海洋藻类空前发展,形成“海洋藻类时代”。在动物方面,无脊椎动物在海洋里大量出现,主要有三叶虫、笔石、珊瑚等。因此,这个阶段也叫做“海洋无脊椎动物时代”。

晚古生代距今约2亿~4亿年,泥盆纪时,在植物方面,沿海一带裸蕨类相当茂盛,所以把泥盆纪称为“裸蕨类时代”。到了石炭纪和二叠纪时,许多地区的气候变得温暖湿润,沼泽环境广布,芦木、鳞木、封印木等蕨类植物空前繁盛,有的高达50多米,因此把这二叠纪叫“蕨类时代”。这些高大茂密的森林,后来变成了大片的煤田。在动物方面,到泥盆纪时,有大量的原始鱼类出现,所以又把泥盆纪叫做“鱼类时代”。到泥盆纪末期,许多浅海变成沼泽地和陆地,鱼类遂向两栖类过渡,生物开始向陆地进军。到二叠纪时,两栖类得到空前发展,所以又把二叠纪叫做“两栖类时代”。到二叠纪晚期,气候开始变干,动物就从两栖类向爬行类过渡了。

中生代包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪,是地球历史发展的又一重要阶段。历时约1.6亿年。

中生代三叠纪

侏罗纪

晚古生代末期,由于地理和气候发生显著变化,这时裸子植物得到进一步发展,如银杏、松柏和苏铁等代替了蕨类植物。到侏罗纪,裸子植物到达极盛时期,动物界中恐龙大发展。可见,到了中生代裸子植物代替了孢子植物,爬行动物代替了两栖类动物。这样中生代就称为“裸子植物和爬行动物时代”。中生代由于有这样繁荣的植物和巨大的动物,后来就变成了许多巨大的煤田和油田。

新生代包括第三纪和第四纪,它是地壳历史最新的一个阶段,时间最短,距今只有7000万年左右,这时地球上的自然地理环境和生物界面貌已经和现在相似。在植物界,被子植物大发展,所以新生代也叫做“被子植物时代”。这时在热带和温带出现了大片的热带常绿林和温带落叶林。后因气候变冷变干,在亚欧大陆腹地森林面积逐渐缩小,被草原植物所代替,发生了大规模的森林草原化现象。在动物界,哺乳动物空前繁盛,各种食草动物和食肉动物都得到迅速发展,所以又把新生代叫做“哺乳类时代”。

自然界中生物的大发展,终于导致改造自然的高级动物——人类的出现,古猿逐渐演化成现代人,关于人类的出现,一般认为是在第四纪,距今约有200万年左右的历史。

我们的地球就是这样从天文时期,经过太古代、元古代、古生代、中生代、新生代五个地质时期一直演化到现在,逐渐形成今天的面貌。现在,我们的地球上,有一望无际的波涛汹涌的海洋,有高峰插云的崇山峻岭,有河网交错的平原沃野,有炎热多雨的热带森林,有飞沙走石的戈壁沙漠,有千里冰封的巨大冰原,而且还生长着各种植物和动物,呈现出一派丰富多彩的壮丽景象。这都是数十亿年来长期演化的结果。

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