第五章 前寒武地史.ppt

第五章前寒武纪的地史 一 前寒武纪的划分和特征二 地球圈层的起源和演化三 前寒武纪生物界四 中国主要古大陆形成史五 中国震旦纪古地理和古构造 一 前寒武纪的划分和特征 一 前寒武纪的划分 二 前寒武纪的特征 一 前寒武纪的划分 包括地球在内的太阳系各天体形成于45 46亿年前 地球上现知最早的地质记录形成于38亿年之前 可作为地质作用的地质历史时期的开始 地球上首次出现多门类带壳生物群的寒武纪始于5 4亿年之前 标志着显生宙时期的到来 地球历史阶段划分 1 距今46亿 38亿年 8亿年 天文演化阶段地球早期历史时期冥古宙 2 距今38亿 5 4 5 7 亿 32亿年左右 前寒武纪隐生宙 82 3 距今5 7 5 4 亿 今显生宙 18 二 前寒武纪的特征 1时限长 46 5 4亿年 2地层普遍变质 麻粒岩相 角闪岩相 绿片岩相 一般越老变质越深 岩浆活动发育 3构造变形复杂 因为原始地壳薄 刚性差 热流值大 易塑性变形 而且经历多期构造变动 4生物化石稀少 5酸性和还原大气圈和水圈 6矿产丰富 Fe Au U 二 地球圈层的起源和演化 从宇宙大爆炸到地球形成 宇宙诞生10 44秒之后便急速展开 10 34厘米的超微宇宙在仅仅10 34秒之内迅速膨胀了10100倍 称为暴胀 inflation 所谓10 34秒 厘米 就是 1秒 厘米的一兆分之一的一兆分之一的一百亿分之一 极其短暂 微小的时间 空间 而10100倍 就是1的后面加100个0 厘米 实际上提出了一个 从无到有 的宇宙起源模式 对于传统的 无始无终 宇宙观是一个冲击 超微宇宙的瞬间暴胀 支持大爆炸学说的证据 观测到河外天体有谱线红移 Einsteinshift 现象 2 观测到各种天体上氦丰度大 30 微波背景辐射的温度仅3K 符合大爆炸学说要求宇宙曾有从热到冷的演化史 早期 100亿度 只有基本粒子 10亿度 开始出现氢 氦轻元素 100万度 更多元素合成 几千度 气体凝聚成星云 绝对温度多少度 现在 3 天体年龄测定均100多亿年 符合大爆炸理论要求 所有恒星都产生于温度下降之后 40000K 前提 发光星体的光谱线红移 多普勒效应 ChristianDoppler 1803 1853 奥地利物理学家 河外天体谱线红移 Einsteinshift Impactcratersonthemoon 4200MB Earthformation 地球起源与圈层分异 42亿年 46亿年前太阳星云中分化形成原始地球 温度较低 轻重元素浑然一体 尚无圈层分异原始地球一旦形成 有利于吸集更多星子使体积和重量迅速增加 同时因重力分异 放射性元素蜕变和星体撞击而增温原始地球内部达到熔融状态时 亲铁元素比重大而下沉形成铁镍地核 亲石元素上浮组成地幔和原始地壳 更轻的液态和气态成分 通过火山喷发溢出地表形成原始大气圈 水圈地球初始圈层分异的时间约在42亿年前 4600Ma 天文演化 地质演化 地球圈层起源与演化的科学证据 最老的矿物4500Ma 最老的岩石4 00Ma 最老的沉积岩3900Ma 最老的生命3800Ma 最老的细胞生物 00Ma 大气圈和水圈起源于地球早期的排气作用 含氧大气圈的形成 臭氧层 光化学分解 光合作用 3500MB 大气化学成分的演化 现今的大气成分 叠层石 地球的热演化 前寒武纪的大气圈和水圈 水圈 在Ar早期已经形成 因为在Ar1中出现玄武岩和砾岩Pt2由还原 氧化 Ar 缺氧还原性大气 广泛出现含金 铀砾岩 Pt1早期 缺氧到含氧过渡 纹带状硅铁组合 早期藻类释放出的O2被Fe2 吸收而沉淀 Pt1晚期 逐渐含氧 叠层石大量发育Pt2 含氧大气圈形成 出现含铁红色砂岩 高价铁沉积层 膏盐沉积和可燃有机岩 但是Pt2 3 海相沉积中原生白云岩大量发育 反映当时大气中CO2比Ar低 但仍比现在高 BIF Fe3O4 3价铁的氢氧化物 Fe3O4的形成模式 三 前寒武纪生物界 生物是如何起源的 地内与地外 神创与自然演化 单源与多源生物是何时起源的 最早的生物记录前寒武纪生物界的面貌怎样 15种星际有机分子的发现 陨石中分析出氨基酸 嘧啶 脂肪酸 生命地外起源extraterrestrialS Miller 1953 的氨基酸合成实验 Fox的生物小分子合成生物大分子 类蛋白 化石记录表明的生物进化过程 生命地内起源terrestrial 生物是如何起源的 Miller的著名实验 Deepbiosphere 热液喷口是最具化学多样性的微生物生长地 地球化学梯度和热梯度提供了多种微生物 嗜冷 温 热 酸 碱 盐菌 聚集的小生境 表层生物圈仅占生物生成空间的3 深部生物圈则占生物生成空间的97 深海极端条件下生活的极端生物 其2 3的基因与迄今科学上的已知基因不同 地球上生命的直接证据从地球化学角度据碳同位素比率认为生命过程始于38亿年前 Shidlowski 1978 近年在格陵兰约39 5亿硅质岩中发现有细菌 最早的生物化石 但也有人认为是沉积构造 Sci 2000 有人提出38亿前可能已经存在生命 只是由于轰击时代而未能保存 仅在此后才有机会保存成为化石 Sci 1999 西澳大利亚35亿年的沉积岩中发现有丝 链状细胞 认为可能代表了最早的菌 藻类生物体 格陵兰38亿年的Ar沉积岩中发现在碳氢化合物 认为当时地球上已存在生命 Cloud 1983 水Dauphasetal 2004 Dec17 Sci 生物是何时起源的 非细胞生物 只含一种核酸1000 3000nm 非典型肺炎 是现在出现的 还是在前寒武纪就有了 前寒武纪生物界面貌 1Ar Molecular 分子 fossils 如氨基酸 脂肪酸 芳香族碳氢化合物 环形化合物等 此外少量stromatolites2Pt Bacteria alga Stromatolites繁盛 特别是Pt3Microalga 微古植物 指单细胞或多细胞藻类有机体 我国主要发育于Pt2 3Macroalga指根据目前研究程度尚无法归入现代藻类系统的 肉眼可见的藻类 主要Pt2 33EdiacaraFauna指震旦纪后期出现的 主要由腔肠动物 67 水母 海鳃纲 环节动物 25 节肢动物 似三叶虫 5 组成的不具外壳的多细胞后生动物群 我国发现地点 鄂西 陕南 淮南 辽南和黑龙江 4Tracefossils Planolites like Gordia 戈迪迹 Palaeophycus like Ar叠层石内原核生物藻丝体 Australia 上 2800Ma下 3300 3500Ma GunflintChert 1900Ma 中的线状细菌和念珠状蓝菌 外貌类似现代藻 外貌类似现代铁锰还原菌 分类位置不明 前寒武纪叠层石及其藻细胞 已知最古老动物群 瓮安生物群 1998 2 5在贵州瓮安磷矿区5 8 6 亿年前多细胞动物及其胚胎化石的发现 惊动了科学界 Science 评论 使我们第一次目睹了寒武纪大爆发之前我们所熟悉的动物 层位 震旦纪早期陡山沱组磷矿层 时代略早于依迪卡拉动物群 海绵胚胎及骨针 翁安生物群的层位 产于贵州瓮安新元古代陡山沱组中的磷酸盐化动物胚胎化石PhosphatizedanimalembryofossilsfromtheNeoproterozoicDushantuoFm Weng an Guizhou 贵州瓮安陡山沱组中的动物胚胎化石 贵州瓮安陡山沱组中的微管化石 Xiaoetal 2000 PNAS 97 25 13684 贵州瓮安陡山沱组中发现的磷酸盐化的微管化石 据研究认为可能属后生动物 刺胞类 如果确认无误 将是目前已知的最早的后生动物化石之一 Ediacara动物群化石 无壳的后生动物群出现于新元古代后期震旦纪全球性冰期之后 典型代表是产于澳大利亚南部伊迪卡拉山庞德石英砂岩 年龄值为630Ma 中 故通称伊迪卡拉 Ediacara 动物群 除澳大利亚以外 西南非洲 英国 乌克兰 俄罗斯北部 瑞典 西伯利亚北部也有该动物群的报道 中国鄂西 陕南 淮南 辽南及黑龙江等许多地区也发现了该动物群的分子 它的出现标志着后生动物的真正出现 生物界完成了从植物到动物的演化过程 是生物演化史上的一个重要飞跃 Ediacara动物群化石 Ediacara动物群复原 Jellyfish水母 Narbonne 1998 GSAToday 8 2 1 8 已经发现的Ediacara动物群化石点 表明具有球性分布特征 Wen anFauna 590Ma MeishucunF 543Ma 525Ma 570Ma EdiacaraF ChenjiangFauna 陡山沱组中发现的最早的两侧对称动物 寒武纪大爆发 生物演化的几个突变期 35亿年前 厌氧异养原核生物 30亿年前 厌氧自养原核生物 18亿年前 喜氧真核生物出现 6亿年 瓮安生物群 出现软躯体的伊 埃 迪卡拉动物群 5 4亿年 寒武纪生物大爆发 四 中国主要古大陆形成史 前寒武系的分布 中国的前寒武系 四 中国主要古大陆形成史 一 华北板块的形成史 二 扬子板块的形成史 三 其它板块的形成史 华北板块和扬子板块的范围 一 华北板块的形成史 太古宙 陆核的形成期早元古代 原地台形成期中 新元古代 似盖层和盖层形成期Continentalnucleus paraplatformwithaparacover platformwithacover 华北地区太古宇分布图 1Ar1 22片麻理3陆核轮廓4华北板块边界5后期平移断层 河淮陆核 冀辽陆核 鄂尔多斯陆核 Pt1 Ar1 2 迁西群 迁西运动 3000Ma 麻粒岩 片麻岩 角闪岩 原岩为超基性 基性火山岩及碎屑岩 7200m 发现有3800Ma的岩石 角闪岩 变粒岩 片岩 原岩为中酸性火山岩夹碳酸盐和碎屑岩 3000m Ar1 2壳幔物质交换频繁 Ar2 3沉积岩增加 出现砂岩 碳酸盐岩等浅海沉积 说明陆地面积和浅海沉积范围扩大 且较为稳定 阜平运动后 硅铝质地壳加厚 形成较为稳定的块体 陆核 Ar2 3 单塔子群 阜平运动 2500Ma Ar陆核形成 冀东迁西太古宇剖面 Pt1原地台形成 五台 吕梁山区剖面 滹沱群上部 上下共 8000m 五台群 7000m 中 低级变质岩 原岩浅海陆缘碎屑岩 碳酸盐岩至沙泥质浊积岩 中部夹火山碎屑岩 变质砂砾岩 红色磨拉石沉积组合 整体特征 1 以沉积岩为主 夹有火山岩 说明地壳仍然有活动性 2 晚期大量发育碳酸盐岩 叠层石和红色沉积 说明大气圈 水圈含氧量增加 3 分布较窄 五台运动 2200Ma 阜平运动 2500Ma 吕梁运动使Ar分散的陆核进一步固化 联合成为更大的陆块 原地台 滹沱群下部 浅变质滨浅海碎屑岩 碳酸盐沉积 夹少量玄武岩 吕梁运动I 1900Ma 吕梁运动II 1800Ma Pt2 3似盖层和盖层形成 蓟县剖面 上元古界青白口群 中元古界蓟县群长城群 芹峪抬升 10亿年 浅海碎屑岩 碳酸盐岩为主 特点 基本未变质 成份成熟度高 但是 厚度巨大 仍含火山岩 反映地壳仍不是很稳定 原地台的似盖层沉积 由于原地台的形成 地壳刚性增加 早期出现边界明确的裂陷槽 裂谷盆地 Pt2 3即分布于这些裂陷槽中 芹峪抬升后 华北地区进入稳定的板块发展阶段 浅海砂页岩 碳酸盐岩 厚度小 分布广 成份成熟度高 无火山活动 为地台真正盖层 Arkosewithripples Pt2 王屋山 Pt2t Pt2h Pt2w Beijing Dolomite Pt2w Beijing Dolomitewithstromatolites cross beddings Pt2t Beijing Dolomitewithstromatolite Pt2t Beijing Pt3l Pt3x Beijing Slatecontaininglen shapebeddingsPt3x Beijing SandstonewithwedgedbeddingsPt3l Beijing 中国东部中元古代古地理图 太古宙陆核的形成古元古代原地台形成中新元古代似盖层和盖层形成 华北板块的形成史 陆核和陆壳的形成 板块机制 陆核的形成 撞击机制 二 扬子板块形成史 1 无肯定的Ar基底 推测有 证据 在广西摩天岭发现锆石 28 5亿年 2001年报道有32亿年的基底 2 Pt1很零星 如武当山的武当群 22亿年 川西的河口群 17 19亿年 云南的康定群和四川盆地的航磁异常 3 Pt2以后为原地台 似盖层 发育阶段 鄂西元古宇剖面 Z 莲沱组 Pt31 马槽园组 Pt2 神农架群 晋宁运动I 1000Ma 主要为碳酸盐岩 含叠层石 为陆棚浅海沉积 夹凝灰质沉积 原地台 为红色山麓堆积 磨拉石沉积组合 成份为碳酸盐砾岩 砂砾岩 稳定类型盖层沉积 晋宁运动II 800Ma Pt2 Ar 空岭群 1600Ma 晋宁运动形成扬子板块的基底 1600Ma 3200Ma 扬子板块南缘晚元古代沉积示意剖面 湖南 扬子板块主体 中元古代扬子板块周缘活动大陆边缘火山岛弧带示意图 三 其它板块的形成史 塔里木板块华夏板块总体上类似与华北板块基底形成较扬子板块早 中国元古宙地层对比 中国中元古代古地理图 五 中国震旦纪古地理和古构造 一 震旦纪的定义 二 扬子板块震旦纪古地理 三 华北板块震旦纪古地理 四 塔里木板块震旦纪古地理 震旦 为中国的古称 在印度佛经中指中国李希霍芬 1871 最早将其用于地层 指下古生界和元古宇之间的一套地层 葛利普 1922 重新厘定为 寒武系之下 五台群或泰山群变质岩系之上的一套未变质的岩系 以天津蓟县剖面为代表 李四光 1924 在峡东建立完整的震旦系剖面 时限为800 540Ma1975年 正式确立三峡剖面为震旦系层型剖面近年震旦系又细分为南华系 下 和震旦系 上 一 震旦纪 Sinian 的定义 震旦系特征 1 大型稳定板块已形成 发育稳定成熟的盖层沉积 与寒武系之间无大的构造运动 因而与古生界接近 无机界 2 发育丰富 高级的裸露动物群 在Ediacaran以前出现后生动物胚胎 Nature 98 391 553 58 少量带壳化石