梅冥相. (2016)冥古宙的地层学属性:了解地球形成初期古地理背景和演变历史的重要线索* [J]. 古地理学报, 18(4): 513-524
Mei Mingxiang. (2016)Stratigraphical natures for the Hadean:An important clue for understanding of both evolutionary history and palaeogeographical background in forming and initial periods of the Earth[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(4): 513-524. DOI:10.7605/gdlxb.2016.04.037  
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冥古宙的地层学属性:了解地球形成初期古地理背景和演变历史的重要线索*
梅冥相
中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

作者简介 梅冥相,男,1965年生,中国地质大学(北京)教授,博士生导师。 E-mail: meimingxiang@263.net。

收稿日期:2015-06-25
基金:*国家自然科学基金项目(批准号:41472090,40472065,49802012)资助
摘要

在现行的前寒武纪地质年代表中,由于太古宙底界没有得到很好的定义,只是被粗略地置于大约 4000, Ma,因此也造成了一个没有得到较好定义的“冥古宙”。 2个重要的发现促使学者们对冥古宙的地层学属性进行修订:( 1)在西澳大利亚 Jack山脉太古宙砾岩中发现了真正古老的锆石晶体,其不仅可将地层时代延伸到 4404, Ma,而且包含了有关地球早期环境条件较为丰富的信息; ( 2)在加拿大北部发现了大约 4030, Ma的 Acasta片麻岩。根据这些发现,并结合月球和陨石的测年数据,就产生了大量有关太阳系和地球早期历史的新知识,包括太阳系与地球的形成、初生地球时期的重要变化及其物质记录和生命的起源及早期进化,这成为修订冥古宙地层学属性的重要基础。修订后的冥古宙代表了地球演变历史的最早时段,即从太阳系和地球在 T0=4567, Ma的形成,一直延续到地球上最古老岩石的出现( 4030, Ma)。冥古宙还可被进一步划分为 2个代:( 1)“混沌代”( 4567, Ma— 4404±8, Ma);( 2)“杰克山代”或“锆石代”( 4404±8, Ma— 4030, Ma)。由于没有保存相应的地层记录,因此冥古宙顶界( 4030, Ma)与底界( 4567, Ma)的年龄值,仅为一个计时性的年代界限。上述这个被赋予了明确地层学属性的冥古宙,不仅代表了前寒武纪地层学研究的一个重要进展,而且也为深入了解地球早期演变历史提供了许多重要的理念。

关键词: 前寒武纪; 冥古宙; 混沌代; 锆石代; 地层学属性
中图分类号:P534 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)04-0513-12
Stratigraphical natures for the Hadean:An important clue for understanding of both evolutionary history and palaeogeographical background in forming and initial periods of the Earth
Mei Mingxiang
School of Earth Sciences and Natural Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083
Fund:[Financially supported by the National Natural Sciences Foundation of China(Grant Nos.41472090,40472065,49802012)]
Abstract

Within the current Precambrian geological time scale, it is an undefined base of the Archean Eon that it is roughly indicated at about 4000,Ma,which results in a use of Hadean is informal as it has not been defined. Two of key advances led to the revision of stratigraphical nature for the Hedean,which as follows: (1)The discovery of truly ancient zircon crystal in Archean conglomerates at Jack Hills in Western Australia,which extend back to 4404,Ma and contain a wealth of information about conditions on very early Earth; (2)The discovery of ca.4030,Ma Acasta Gneiss in northern Canada. These discoveries,together with age dating of the Moon and meteorites,have yielded a great deal of knowledge about the early history of our solar system that is just an important foundation to revise the stratigraphical nature of the Hadean. The knowledge includes the formation of the solar system and the Earth, the important changes and their physical records on very early Earth, the origin of life and its early evolution. This revised Hadean Eon that has been recognized as the earliest period of Earth history,extends from the age of formation of the solar system at T0=4567,Ma,to the age of Earth's oldest dated rock from the Acasta Gneiss Complex,at 4030,Ma,and has further been subdivided into two eras:(1)the Chaotian Era(4567,Ma-4404±8,Ma);and(2)the Jack Hillsian Era or the Zirconian Era(4404±8,Ma-4030,Ma). Both the lower(4567,Ma)and upper(4030,Ma)age limits for the Hadean Eon would necessarily be defined as chronometric boundaries,as there is no preserved stratigraphy. A Hadean Eon that has been endowed with a definitely stratigraphical nature not only delegates an important advance of studies on Precambrian stratigraphy, but also provides lots of important ideas for the further understanding of the evolutionary history of the early Earth.

Key words: Precambrian; Hadean Eon; Chaotian Era; Zirconian Era; stratigraphical nature
1 概述

地质年代表的主要优点是可以为地质学家提供一种普遍且精确的语言来讨论地质事件并揭示地球的演变历史。前寒武系, 虽不是一个正式的地层单位, 但因其简单明瞭地代表了形成于寒武纪之前(显生宙的底界面)的所有岩石, 因而就包括了可以追溯到地球形成之时的所有时间阶段(Van Kranendonk et al., 2012)。该阶段位于寒武纪多细胞后生动物“ 大爆发” 之前, 在这一几乎近于4000, Ma的时间进程中, 地球上的生命主要被单细胞所主导。该阶段还曾被定义为隐生宙, 代表了从寒武系底界面(541, Ma)(Amthor et al., 2003; Bowring et al., 2007; Peng et al., 2012)回溯到地球形成初期(T0=4567, Ma)这一漫长的时间段(Van Kranendonk et al., 2012); 然而, 随着更多的生命作用痕迹在前寒武系中被发现, “ 隐生宙” 这一概念在地质学界业已被抛弃。

在现行的地质年代表中, 太古宙的底界(或冥古宙的顶界)尚没有得到较好的定义, 只是被粗略地置于大约4000, Ma(Plumb and James, 1986; Plumb, 1991; 章森桂等, 2009; 苏文博, 2014; 樊隽轩等, 2015)。同时, 其也没有被很好地归入到地球早期历史的事件属性之中(Van Kranendonk et al., 2012), 还主要遵循Cloud(1972)的原始定义, 即将自大约4000, Ma到地球或太阳系的形成之间的这段时间笼统地称为“ 冥古宙” , 意指一个地质记录较为模糊的时期, 即从地球的形成到最古老的而且得到确定测年的岩石年龄值为止。

2个重要的发现, 导致了对冥古宙地层学属性的修订, 它们是:(1)在西澳大利亚Jack山脉的太古宙砾岩中发现了迄今最为古老的锆石晶体, 其不仅将地质历史中的物质记录延伸到了4404, Ma, 而且也隐含着地球早期环境条件较为丰富的信息(Mojzsis et al., 2001; Wilde et al., 2001; Valley et al., 2002; Crowley et al., 2005; Cavosie et al., 2007; Ushikubo et al., 2008); (2)在全世界的克拉通中发现并确定了最为古老的地体(老于3600, Ma), 而且还获得了地球上最古老的岩石测年年龄, 即在加拿大北部发现了大约4030, Ma的Acasta片麻岩(Bowring and Williams, 1999; Van Kranendonk, 2007)。这些发现, 与月球和陨石的测年数据结合在一起, 就产生了针对太阳系和地球早期历史的大量新知识, 而这些新知识, 正好成为修订冥古宙地层学属性的重要基础; 但需要进一步强调的是, 这些知识在现行的“ 冥古宙” 定义中(Plumb and James, 1986; Plumb, 1991)几乎被完全忽略了。一个修订了的冥古宙, 代表了地球演变历史的最早时段, 指从太阳系在T0=4567, Ma的形成, 一直延续到地球上最古老岩石的测年时间, 即4030, Ma(Van Kranendonk et al., 2012)。迄今为止, 因这样的修订还不符合“ 金钉子” 的理念(彭善池, 2014), 所以, 其还没有得到国际地层委员会的认可和批准(陆松年等, 2005; 章森桂等, 2009; 苏文博, 2014; 樊隽轩等, 2015); 但是, 因其利用现有的知识明确了冥古宙的地层学属性, 故该冥古宙年代地层划分方案具有鲜明的时代特色, 而且对了解自地球的形成到具有真正的地层记录之前的早期地球复杂的演变历史和特别的古地理背景, 提供了富有理念和智慧的重要线索和思考途径。因此, 文中主要介绍Van Kranendonk等(2012)重新定义的“ 冥古宙” 概念, 以期能得到同行的重视并起到抛砖引玉的作用。

2 现行冥古宙的定义

国际地层委员会(ICS)的一个主要活动就是对标准的地质年代表建立全球层型剖面和点(Global Stratotype Section and Points, 简称为GSSP; 章森桂等, 2009; 彭善池, 2014; 苏文博, 2014; 樊隽轩等, 2015), 并将其作为全球年代地层学正规化的一个方式(Gradstein and Ogg, 2012)。目前, 除了埃迪卡拉系底界的GSSP以外(Knoll et al., 2004), 对前寒武纪其他GSSP的识别还存在着很多问题(陆松年等, 2005; Van Kranendonk et al., 2012), 这是因为现行的地层划分是年代学的结果, 而且是基于大致平均的最小地质构造活动年龄, 就像在20世纪80年代对全球地质资料进行总结而编撰的那样(Plumb and James, 1986; Plumb, 1991)。当前的地层划分方案将前寒武纪分为3个宙, 分别是冥古宙(~4600— 4000, Ma)、太古宙(4000— 2500, Ma)和元古宙(2500— 541, Ma)。在这个划分方案中, 特别强调了冥古宙是一个非正式地层单位, 尤其是冥古宙与太古宙的界限没有得到定义, 只是被宽泛地置于4000, Ma, 这也就造成了一个没有得到定义的太古宙。虽然当前的这个方案已经在地球科学领域被使用了30余年, 也有助于了解和强调前寒武纪地球上一些明显的变化, 但是, 目前其还是显得有点过时, 尤其是难以与现今所获得的更加丰富的关于地球形成初期的知识(梅冥相和高金汉, 2015; 梅冥相和孟庆芬, 2015)以及许多富有智慧的认识(Van Kranendonk et al., 2012; 苏文博, 2014)相匹配。

随着研究的深入, 一些学者提出了针对冥古宙定义的建议和新认识:Moorbath(2005)曾经倡导, 冥古宙应该延伸, 其始于太阳系的形成(表示为T0), 并可一直延伸到3850, Ma严重撞击作用的结束; 他还进一步设想到, 在冥古宙与太古宙的过渡时期, 即从全球性的火山作用和沉积物输入导致地球环境发生重大变化开始至地球上最为古老的完整地壳片段在西格陵兰的形成, 这个时期可能持续了数亿年, 而且认为其是“ 地球整个地质年代表中最具影响和最惊人的部分” , 因为该时期的地球以最古老的岩石形成、最古老的生命出现和最为严重的陨石和天体撞击为特征。Nisbet(1991)建议 “ 冥古宙” 的上界应该位于地球上可重复地壳运动的首次发生之时, 但由于目前还不知道该运动是在何时开始的, 从而造成该建议并不具有实践性。Goldblatt等(2009)认为, 地球的形成时期应该首先归为混沌宙(Chaotian Eon), 其后才是冥古宙, 所以, 冥古宙应该是指一直延续到4000, Ma的地球历史的早期阶段。上述这些富有智慧的认识和建议, 伴随着近年来对初生地球时期(4560— 4030, Ma; Van Kranendonk et al., 2012)的地球形成背景和演变历史的深入了解, 为修订和明确冥古宙的地层学属性奠定了重要的基础。

3 地球形成及其早期的演变历史

数十年来的持续研究, 使得当前对太阳系和地球的形成过程已经获得了一个较为系统、全面的认识。作为太阳系的一个组成部分, 地球自从在T0(=4567, Ma)形成于尘埃与气体的聚集作用以来, 一直经历着长时间的复杂演变, 而这个演变过程实际上是一个缓慢变冷的过程; 在4500, Ma左右, 发生了形成月球的巨型撞击事件; 在该事件之后, 地球从一个熔融硅酸盐物质的球体变为圈层分异的球体, 即经历了一个具有地核、地幔、地壳以及大气圈与海洋的复杂分异作用和演变过程。遵循这一变化样式, 在地球某些地方很早期的发展历程中, 还出现了生物群落。这两个构成, 即地球动力学和地球生物学构成, 一直到今天还在共进演变着(徐桂荣等, 2005; 梅冥相, 2010, 2011a, 2011b, 2012, 2014; 谢树成等, 2011), 同时其还受到一些地外事件的影响, 而这些影响在地球早期演化历史中更加重要, 且在整个显生宙都在继续影响着生物圈的进化(Van Kranendonk et al., 2012; 梅冥相和高金汉, 2015; 梅冥相和孟庆芬, 2015)。

3.1 太阳系与地球的形成

科学家们运用各种同位素体系对陨石进行测年, 包括对那些短周期的以及现在已经灭绝的放射性核素的测年, 结果表明, 太阳系内部星云岩石的增生作用与凝缩作用发生在T0=4567± 1, Ma。组成陨石的这些物质, 不仅来源于早期被太阳风吹到外部星云并融合成大型气体行星的那些物质, 而且还包括现在已经亏损的挥发性元素组成的物质(Allè gre et al., 1995; Amelin et al., 2002, 2009; Bevan, 2007; Burkhardt et al., 2008; Nyquist et al., 2009; Bouvier and Wadhwa, 2010)。

针对太阳系和地球形成的研究, 科学家们获得了以下几个方面的成果和认识:(1)富集Ca-Al的耐熔包裹物(CAIs)以及不定型的橄榄石聚合物是形成在太阳系星云中的第1种固态物质, 其大致形成在4567.1, Ma— 4568.3± 0.7, Ma, 即太阳正处在汇流阶段(类型0)并进化成原恒星阶段(类型Ⅰ )的时期(Amelin et al., 2009; Kleine et al., 2009; Krot et al., 2009; Bouvier and Wadhwa, 2010); (2)陨石球粒及其细粒杂基大致形成在CAIs之后的1~4, Ma, 而且作为太阳系星云中自由漂移的物体, 其形成于太阳处在一个经典阶段(类型Ⅱ )以及微弱衬垫的恒星阶段(类型Ⅲ )所代表的时期(Baker et al., 2005; Hutcheon et al., 2009; Krot et al., 2009; Scott and Sanders, 2009); (3)碰撞增生形成原始行星体及之后的作用过程具有随机性(Taylor, 2007), 其大致发生在T0之后的0.5, Ma左右, 而且一些原始的行星体在该阶段已经发生过完全的增生聚合(Wadhwa et al., 2009); (4)大多数的岩石质行星体均经历过核的形成、分异和部分熔融作用, 这个分异过程大致发生在T0之后的1~11, Ma, 但之后的扰动事件则持续到大约4500, Ma, 即发生在增生作用的晚期(Allè gre et al., 1995; Carlson and Lugmair, 2000; Boyet et al., 2003; Walter and Trø nnes, 2004; Baker et al., 2005; Bevan, 2007; Zahnle et al., 2007; Burkhardt et al., 2008; Krot et al., 2009)。

3.2 初生地球时期的重要变化

钨同位素分析表明, 地球最初的增生作用速度很快, 大致经历了10~30, Ma, 包括平衡增生作用以及直接来源于硅酸盐物质构成的地幔与地核的分异作用。地球表面在这个时期应该是一个岩浆海洋(Kleine et al., 2004; Jacobsen, 2005; Wood et al., 2008; Halliday and Wood, 2009)。火星的分异作用发生在T0之后大约40, Ma, 而且火星与地球均被认为总体是由超球粒状陨石物质构成的(Caro et al., 2008; Kleine et al., 2009), 然而有的学者却认为, 地球上地幔岩石中的非球粒状陨石的钐(Sm)-钕(Nd)以及镥(Lu)-铪(Hf)同位素信号可能说明了Mg-钙钛矿、Ca-钙钛矿与方镁石的分离作用, 且这些矿物在大约4356, Ma的分异作用期间已经结晶并进入深地幔之中(Walter and Trø nnes, 2004)。

一个惊人的发现是月球与地球岩石之间的同位素具有相似性(Wiechert et al., 2001; Toubol et al., 2007), 这就导致了对月球被地球重力场捕获这一早期形成模型的质疑, 而且产生了一个重要理念, 即月球与地球的共进演化是通过一个巨型的撞击事件, 且在这一撞击事件中形成了月球。科学家们推测到, 这次撞击事件, 是由一个火星大小的原始行星Theia(大致相当于0.1~0.2倍的地球质量)撞击一个相当于现代地球质量90%的初生地球(Jacobsen, 2005; Taylor, 2007; Zahnle et al., 2007), 其发生在地球增生作用的晚期, 即大致发生在4500, Ma, 随后是持续了大约40, Ma的增生作用间断期, 而且这次撞击事件再次导致了早期地球岩浆海洋更加普遍的形成和发育(Kleine et al., 2004, 2009; Toubol et al., 2007; Halliday, 2008; Halliday and Wood, 2009)。

形成月球的撞击作用激发模型表明, 月球的大多数物质来自于撞击者, 其与地球撞击的角度接近45° (Canup, 2004, 2008)。在火星上, 一个相对较大的撞击面积被认为更古老, 大致形成于4500, Ma(Nyquist et al., 2001; Solomon et al., 2005); 而且进一步的研究表明, 火星半球式的二分性, 是一次巨型撞击事件导致的晚期增生作用的结果, 大致发生在行星增生作用之后的100, Ma(Nimmo et al., 2008)。

月球微弱的重力场以及干旱的增生作用历史导致了月球上斜长岩月壳的发育, 这是在岩浆海洋中斜长石漂移作用的结果, 发生在撞击事件中80%~85%的原始熔融物质呈固态化之后大约100, Ma(4417± 6, Ma; Nemchin et al., 2009)。在这一相当长的时间内, 斜长岩的月壳隔绝了熔融的月幔, 导致了在4350— 3900, Ma期间连续发生岩浆作用; 特别有趣的是, 这个年龄值范围与西澳大利亚Jack山脉的碎屑锆石中获得的年龄值极为相似(Pidgeon et al., 2010)。但在地球上, 较大的重力能允许地球获得一个富含水的大气圈, 而水的存在增加了融化状态的斜长石的溶解度, 因而在地球早期的岩浆海洋中斜长石并没有结晶, 所以在早期地球上没有形成由斜长岩组成的地壳(Albarè de and Blichert-Toft, 2007)。

在上述研究的基础上, 科学家们针对初生地球时期的地球演化进行进一步推断:(1)在4460— 4450, Ma, 地球已经达到了现在的大小, 地核已经分异出来, 并且地球已经获得了大气圈(Allè gre et al., 1995); (2)大致在4400— 4300, Ma, 即在月球形成之后, 地球的岩浆海洋已经完全分异(Blichert-Toft and Arndt, 1999); (3)岩浆海洋的冷却过程可能会导致形成一个不稳定的地幔, 而这样的地幔会发生翻转并导致一个巨大的铁镁质地壳的形成(Kramers, 2007); (4)在4000, Ma左右, 地幔已经达到了现今的氧化— 还原状态, 而这是由于He2+损耗到太空中及其与氧化剂相混合的结果, 这些氧化剂包括三价铁(Fe3+)、水和碳酸盐(Catling et al., 2001; Delano, 2001)。

氙同位素研究结果表明, 在早期地球表面, 热量的逃逸要比今天更加快速, 其主要是受到岩浆作用的驱动而不是岩石圈的热输导; 而且在地球历史早期大致为1~10, Ma的时间范围内, 地球表面就发生了巨大变化(Coltice et al., 2009)。这些认识, 强烈驳斥了现代样式的板块构造活动发生在大约3500, Ma的认识, 即在这个时间之前, 已经形成了明显的大陆。

大型撞击事件对地球和月球的影响均很明显, 且其主要是对地幔物质长时间的热影响, 并造成了广泛的熔融。在物质组成上, 这些撞击者可能会带来一些“ 晚期装饰性的” 的物质, 其富集PGEs(铂族元素)并进入到上地幔(Maier et al., 2009)。这个现象, 与下地幔到地核构成物质亏损PGEs的现象结合在一起, 就会产生一个痕迹元素分层的早期地幔。

在4400— 3600, Ma, 地球上只有微小的锆石晶体以及少量小型而且分散的地壳碎片存在。假定地球拥有更加巨大的质量, 则一直到3900, Ma, 对月球月壳撞击的陨石撞击也可能会影响到地球。地球被晚期严重撞击事件影响的证据, 已经表现在西格陵兰Isua超地壳带变质— 沉积岩钨同位素的非均质性之中(Schoenberg et al., 2002); 但该事件缺乏直接的证据(如振动性的锆石), 一个可能的原因是地球具有巨大的质量, 其内部比月球包含有更多的热量, 所以, 其需要有一个更加熔融的地幔和较薄的地壳; 另外一个可能的原因是地球地壳更多是玄武岩质的, 所以并不存在被撞击所振动的石英或锆石。这些晚期陨石具有较高的能量及较大的体积, 可能会穿透地球地壳而搅动地幔, 进而导致地球上基性熔岩的大量溢出。因此, 一直到大约3900, Ma这种晚期严重撞击事件的结束, 在地球上不会保存有广泛分布的大陆地壳(Van Kranendonk, 2007)。

Rubey和Poldervaart在1955年设想的早期地球模型认为, 地球上的大气圈和海洋是通过地幔的火山脱气过程而形成的。但是, 后来的研究表明, 这些过度挥发的物质(如H2O、CO2、N2、HCl)是被地球增生作用期间的撞击脱气过程输送到地表的, 以至于大气圈和海洋在地球形成之后不久就已经开始形成(Lange and Ahrens, 1982; Matsui and Abe, 1986a, 1986b)。数字模拟研究进一步表明, 地球的增生作用可能会包括太阳系外部(2.5~3.5天文单位)的物质, 因为在太阳系外部中主要由冰所组成的星子和陨石, 与地球上的海洋具有相似的氘/氢值; 因此, 只有大约10%的挥发性物质来自于彗星(Morbidelli et al., 2000; Kasting and Catling, 2003)。

地球上的水存在3种可能的来源(Van Kranendonk et al., 2012):(1)含水的岩石质的星子, 其与碳质球粒陨石相似; (2)富含冰的星子, 诸如彗星; (3)太阳雾气。然而, 地球上水的氘/氢值表明, 水不会来源于彗星; 相反, 许多学者认为地球上的水是在一个干旱状态下增生的, 当时地球可能具有一个早期的原始大气圈, 而这个原始的大气圈可能在4500, Ma的大型撞击事件期间被吹掉, 从而产生了一个持续数百万年的岩浆海洋以及一个富含硅酸盐质水蒸气的大气圈(Liu, 2004)。而现在被广泛接受的认识是, 水的添加是富含冰的小行星所施加的, 而且这个施加过程是通过木星的重力影响扰动了地球的轨道来实现的(Albarè de and Blichert-Toft, 2007; Kramers, 2007)。

科学家们还进一步认识到, 岩浆海洋的固态化作用导致了来自于地幔的CO2和 H2O的脱气过程, 并产生了一个富含CO2的大气圈; 后来形成的海洋, 将随着致密而且超临界的H2O的凝缩作用而开始形成, 其大致发生在地表温度处于450± 20, ℃的条件下。当地表温度降到300, ℃的时候, 在海洋形成期间, 随着一个致密的而且超临界的H2O-CO2的混合作用, CO2就会被从大气圈中消除(Liu, 2004)。因此, 尽管海洋和大气圈可能形成在地球演化的早期, 但是, 在4300— 4100, Ma产生海洋— 水蒸气过程的撞击(撞击者的直径大致为440, km)事件发生之前, 不可能在地球上形成一个有利于生命(或者至少是现在生命的前体)起源的环境或条件(Kasting and Catling, 2003)。

3.3 初生地球时期重要变化的物质记录

地球上最古老且被直接测年的地壳物质, 不仅来自于澳大利亚Yilgarn克拉通Jack Hills地区的绿岩带, 其是属于低级变质的太古宙(大致为3000, Ma)变质沉积岩和石英岩, 而且也来自于与澳大利亚Yilgarn克拉通西北部相邻的地区(Wilde et al., 2001; Wyche, 2007)。在这些年龄不大于3050, Ma的岩石中, 含有年代范围大致从 3700, Ma— 4404± 8, Ma的碎屑锆石(Wilde et al., 2001; Crowley et al., 2005; Cavosie et al., 2007)。在年龄介于4370— 4010, Ma的Jack Hills碎屑锆石中, 非均质的铪同位素被用来说明大陆地壳的早期形成过程, 且认为该早期地壳可能老于4450± 0.2, Ma(类似于火星)(Zhang, 2002; Harrison et al., 2005, 2008; Hopkins et al., 2008; Harrison, 2009), 这一认识也得到了其他研究成果(Bizzarro et al., 2003; Harley and Kelly, 2007)的支持。另外, 这些锆石的氧同位素值还表明, 大致在4200, Ma存在着较冷的液态水(Mojzsis et al., 2001; Wilde et al., 2001; Valley et al., 2005; Cavosie et al., 2007)。

锆石的氧同位素值也与其他研究结果一起被用来解释大陆地壳的形成, 如发生在汇聚型板块边界的岩浆活动所造成的大陆地壳形成, 许多学者认为其也发生在4500— 4200, Ma, 而且将其与年龄大约 4350, Ma、具有大陆特征的部分地壳相联系(Harrison et al., 2005, 2008; Ushikubo et al., 2008; Harrison, 2009)。但是, Rollinson(2008)认为, Jack Hills锆石可能来源于轴部岩浆房的顶部地带; Nutman和Heiss(2009)也指出, 在原来很热且熔化程度较低的岩浆温度下, 这些锆石晶体可能与晚期的锆石结晶作用存在着联系。冥古宙大陆地壳中具有较为明显体积的参照物, 应该是来自于格陵兰西南部和中国3870— 3630, Ma岩石中的综合性的Hf与 142Nd 的同位素信号(Geng et al., 2006)。尽管对早期地球的认识还存在着一些差异, 但是, 数值模拟结果表明, 早期地球可能是以较厚的玄武岩质地壳为特征, 而这样的地壳经历了部分熔融过程, 从而形成相对较小体积的云英闪长岩(Kemp, 2010)。

3.4 生命的起源和早期进化

地球上的生命何时起源还不知晓, 而且其一直是科学界所面临的一个最具有挑战性的问题。著名的Urey-Miller实验由Miller在1953年完成, 结果表明, 从无机构成产生有机分子相对较为简单。之后, 一个可供了解生命起源的重要进展是, 所有生命的最后一个共同祖先可能是嗜热生物(Stetter, 1996; Pace, 1997)。更进一步讲, 很多属于超嗜热生物(hyperthermophilic)深部分支的生物应该共享着一个新陈代谢途径, 即将元素硫还原成硫化氢、运用氢气和有机化合物作为电子受体来支撑生命体系(Stetter and Gaag, 1983; Stetter, 1996; 徐桂荣等, 2005; Mojzsis, 2007)。因此, 最有可能的情况是, 生命开始起源于热水环境, 在该环境中, 海水沿着裂缝向深部地壳循环, 然后再返回到地表温暖和较热的水脉体系之中(Russell, 1996; Nisbet and Sleep, 2001; Rothschild and Mancinelli, 2001; Kelley et al., 2005)。

大多数研究者均同意存在着这样的热水体系, 且在这样的热水体系中, 厌氧新陈代谢活动首先起源和发生, 因为厌氧新陈代谢活动可以从有机质的氧化作用过程中获取能量, 这要比使用氧气的生氧新陈代谢活动更加快速和有效(Russell and Hall, 2006)。因此, 一些学者还进一步推测到, 热水体系本身是一个天然反应器, 在这个反应器中很多复杂的化学反应作为热水与地球地壳岩石的相互反应的结果而发生着(Russell and Hall, 2006; Wä chtershä user, 2006)。已经知道, 在今天的大陆上存在着较为壮观的热水体系, 在这里水向深部地壳循环, 而且以热泉或间歇泉的方式被火山活动加热并喷发返回地表, 就像冰岛和美国黄石公园的情况那样。但是, 在海洋环境中, 更加普遍的热水体系在喷发着地下水, 在这里热水与玄武质的或超铁镁质的海洋地壳岩石相反应, 而且大多数这样的反应体系, 实际上就是沿着洋中脊扩张中心轴部发育的高温黑烟囱; 另外, 那些较冷的白烟囱, 发生在远离轴部的海水环境中, 在这里, 地壳内海水的加热过程没有那么强烈, 而且水— 岩反应的产物明显不同于那些形成在活动状态下的高温黑烟囱的产物。

多年以来, 曾经认为黑烟囱是生命起源的可能地点(Russell et al., 1988; Russell, 1996; Nisbet, 2000)。但是, 现行的思考和认识认为, 生命起源不是发生在高温的黑烟囱, 因为在这里, 即使对于最极端的超嗜热生物来说, 温度还是普遍过高(Miller and Bada, 1988); 所以说, 生命起源最有可能发生的环境是那些发育在超镁铁质海洋地壳上的碱性而且低温的热水体系, 在这里矿物反应可能形成了氨基酸和RNA的嘌呤编码要素, 所有这些物质均被捕获在微小的铁硫化物洞穴之中(Holm et al., 2006; Russell and Hall, 2006; Martin and Russell, 2007)。海洋与岩石圈内的水— 岩反应可以生产HCN(Holm and Neubeck, 2009), 超镁铁质海洋地壳的蛇纹石化作用可以作为能量来源来促进生命的起源和发育(Russell et al., 2010)。

根据Russell和Hall(2006)的研究, 在热水丘状体中, 可用的能量与营养物通量将会促进第1个微生物分化成细菌与古菌。生命的这两个分支, 包括了支撑着现代生物圈的大多数主要的生物化学途径, 可能在3700, Ma就已经进化(Russell and Hall, 2006), 但近于肯定的是其在3500, Ma已经进化(Nisbet and Sleep, 2001)。来自于形态学的证据几乎表明, 在这个时期生命已经多样化而且占据着不同的生境(梅冥相和高金汉, 2015; 梅冥相和孟庆芬, 2015)。

估计原核生物进化的年代表, 一个有前景的分子和生物钟技术, 已经被成功地运用在系统发生关系的研究之中; 例如, 曾经在72种原核生物与真核生物共同的32种蛋白质的氨基酸序列分析中, 获得了系统发生的结果, 而且运用了局部生物钟的方法估计了系统发生关系与生物多样性事件的时间。今天, 科学家们为我们提供了一个早期生命起源和进化的图像(Van Kranendonk et al., 2012):(1)生命起源发生在4100, Ma之前; (2)产甲烷生物, 出现于4100— 3800, Ma; (3)厌氧的产甲烷生物出现于3100, Ma之后; (4)光养生物出现于3200, Ma之前; (5)需氧的产甲烷生物出现于2800— 2500, Ma。但是, 这个生命起源与进化的图像还存在着许多细节问题需要进一步调查和研究, 例如3460, Ma的氧化海洋中形成的原生赤铁矿(Hoashi et al., 2009)和3430, Ma的锥状叠层石生物礁(Allwood et al., 2006; Awramik et al., 2006), 以及由这些记录代表的“ 太古宙氧气绿洲” (Riding et al., 2014; 梅冥相和孟庆芬, 2015), 说明生氧光合作用这样复杂的新陈代谢作用已经发生在3500, Ma之前(徐桂荣等, 2005; Altermann, 2008; 谢树成等, 2011; 梅冥相和高金汉, 2015)。

4 冥古宙地层学属性的修订

总的来讲, 对初生地球时期演变历史的知识积累, 以及这些知识所反映的整个前寒武纪地球历史进程中的复杂变化, 与那些记录在岩石中的成因相关的事件序列存在着紧密的联系, 这就可以被用来进行前寒武纪的年代地层学划分并确立地质年代表。目前, 前寒武纪的3个宙已被识别出来, 而且得到了进一步的明确与修订(Van Kranendonk et al., 2012; 苏文博, 2014), 即:(1)冥古宙(4567— 4030, Ma), 地球早期复杂而有序的发育与变化历史所表征的初生地球阶段; (2)太古宙(4030— 2420, Ma), 地壳形成与生物圈确立的主要阶段, 以具有高度还原性的大气圈为特征; (3)元古宙(2420— 542, Ma), 一个以大气圈氧气含量逐渐增加为特征的时期, 涵盖了超大陆旋回以及更加复杂的生命(真核生物)进化。

冥古宙, 被第1次正式识别并定义为代表了地球历史的最早期, 涵盖了自太阳系和地球在T0=4567, Ma的形成至4030, Ma, 后者是Acasta片麻岩复合体这一地球上最古老岩石测年得出的年龄值。冥古宙还被进一步划分为2个代(Van Kranendonk et al., 2012): (1)混沌代(Chaotian Era; 4567— 4404, Ma)。与地球早期的增生作用与分异作用存在关联, 指从太阳系和地球的形成(T0=4567, Ma)到地球上获得的最古老的地壳物质的年龄值(来源于西澳大利亚Jack Hills绿岩带中的4404± 8, Ma的碎屑锆石)(Wilde et al., 2001), 故被命名和定义的混沌代, 用来代表地球增生作用与分异作用的混沌期(Goldblatt et al., 2009)。(2)“ 杰克山代(Jack Hillsian Era)” 或“ 锆石代(Zirconian Era; 4404— 4030, Ma)” 。这是冥古宙中较为年轻的代, 主要根据以下时间段来确立, 即从最古老的碎屑锆石年龄值(4404, Ma)到保存的最古老岩石的年龄值(4030, Ma的Acasta片麻岩), 取名于拥有最好的碎屑锆石记录的Jack Hills绿岩带。冥古宙顶界(4030, Ma)与底界(4567, Ma)的地质年龄值, 只能定义为计时性的年代界限, 因为在地球初生时期并没有保存相应的地层记录, 更不可能寻找出潜在性的GSSP来定义这些重要的年代地层界线。

综上, 得到较好定义的冥古宙及其相关的地层学属性, 主要基于以下3个发生在初生地球时期的关键地质事件所留下的宝贵记录, 以及这样的记录所蕴含着的年代地层学涵义:(1)~4567, Ma, 代表了冥古宙或混沌代(Chaotian Era)的开始, 也隐含着太阳系或地球形成的开始, 这是一个计时性界限, 其年龄值出现在陨石中的富集钙和铝的耐熔包裹物之中; (2)4404, Ma, 混沌代的结束与杰克山代(Jack Hillsian(Jacobian)Era)或锆石代(Zirconian Era)的开始, 代表了形成月球的巨型撞击事件和地球主要增生作用阶段的结束, 也代表了地壳物质的首次出现, 即来源于Jack Hills绿岩带的(澳大利亚Yilgarn克拉通)最古老碎屑锆石年龄值代表的计时性界限; (3)4030, Ma, 冥古宙以及杰克山代或锆石代的结束, 也代表了太古宙(古太古代、Acastan纪)的开始, 表现为Acasta片麻岩(加拿大Slave克拉通)中世界上最古老岩石的年龄值所表征的计时性界限。

5 讨论

对于早期地球历史的500, Ma中所发生的若干事件以及复杂的演变历史, 今天已经取得更加全面的了解, 包括太阳系中地球和其他行星形成的时代, 月球形成的时代和机制, 地球上最古老的固体岩石形成时代所表征的早期地壳的形成与破坏, 以及在地球早期的岩浆海洋中大致发生在4100, Ma的生命起源等(Russell and Hall, 2006; Wä chtershä user, 2006; Goldblatt et al., 2009; Russell et al., 2010; Van Kranendonk et al., 2012)。上述这些知识和资料的积累, 更好地反映了早期地球的发展阶段, 从而成为赋予冥古宙较为确切的年代地层学涵义的理论和实践基础。

从早期的“ 隐生宙” 到后来划分为3个宙(冥古宙、太古宙和元古宙)的前寒武纪, 代表了对前寒武系研究的第1次概念进步(Cloud, 1972; 杜汝霖, 1992; 刘本培和金秋琦, 1996)。主要基于在20世纪80年代早期所完成的“ 综合性时间— 岩石单元表” 的编撰, 而且选择那些或适合于大多数、或至少是已知的最好的地质记录中的最小活动间隔或实际间隔(大致为整数)作为时间界限, 所建立的而且反映了全球性主要地质动力学事件的前寒武纪地质年代表(Plumb and James, 1986; Plumb, 1991), 代表了第2次概念进步, 其具有鲜明的时代特色并服务于地球科学界30多年, 但其所采用的计时性(大致为整数的)时间界限还不太符合现代地层学中的时间概念(Salvador, 1994; Remane, 2003; 张守信, 2006; Gradstein and Ogg, 2012)。伴随着埃迪卡拉系(纪)2004年被批准(Knoll et al., 2004), 而成为一个多世纪以来正式增添到地质年代表中的第1个系(纪)级别的地层单位(Narbonne et al., 2012), 立足于新资料和新知识对前寒武纪地质年代表的修订(Van Kranendonk et al., 2012), 不仅代表了现代地层学的一个重要进展, 而且也反映了前寒武纪地层学研究的主要现状, 成为前寒武纪年代地层划分的第3次概念进步。运用早期地球历史500, Ma中所发生的若干事件以及复杂的演变历史, 所修订的冥古宙以及对其进一步的划分, 赋予了地球最早期年代地层单位以现代地层学的理念和属性, 为深入研究地球的形成和早期发育与演变历史以及复杂而特殊的古地理背景提供了重要线索。地球形成之后以及地球初期的复杂的地球动力学过程和地球生物学过程, 已经显示出地球复杂的古地理面貌如岩浆海洋, 这个特别的岩浆海洋在较晚的时期(4100, Ma; Van Kranendonk et al., 2012)才出现生物, 而覆盖在这个岩浆海洋上的是一个高度缺氧的大气圈等。就像难以运用GSSP的概念来定义和划分冥古宙那样, 地球形成初期的古地理背景的重塑, 也难以运用沉积学和古地理学的现代概念体系(冯增昭, 2013)来解释。

6 结语

运用现代地层学的理念去研究冥古宙地层学属性, 本身就是一个巨大的挑战, 因为这个时期明显不存在地层物质记录, 更不可能存在可以作为潜在性GSSP的物质记录。但是, 迄今为止, 所发现的地球上最古老的碎屑锆石(测年得出的年龄值为4404, Ma)以及最古老的岩石(测年得出的年龄值为4030, Ma), 为明确冥古宙的地层学属性奠定了必要的物质记录和重要信息, 也为了解行星早期的发育和变化历史提供了许多思考途径和重要线索。这些重要线索凝聚了几代地质学家们的智慧和心血, 从而精炼出许多新概念和新认识, 包括:(1)4567, Ma, 地球与太阳系形成的时代, 固体太阳系物质的首次形成, 冥古宙的底界年龄值; (2)4404, Ma, 地壳物质的首次出现; (3)混沌代(4567, Ma— 4404± 8, Ma), 一个地球早期的增生作用和(地核、地幔与地壳)分异作用时期, 在这个时期发生了形成月球的巨型撞击事件(大约4500, Ma); (4)4030, Ma, 地球上最古老的岩石首次出现, 成为冥古宙顶界的年龄值; (5)杰克山代或锆石代(4404± 8, Ma— 4030, Ma), 巨型撞击事件持续进行的时期, 也是地球地壳快速形成和再循环作用的时期, 在这个时期对地球表层环境产生巨大变化的是生命可能首次出现在地球上(大致在4100, Ma), 而且生命的起源得益于超镁铁质岩石构成的原始地壳的蛇纹石化作用所提供的能量。追踪这些新颖的概念和认识, 不仅有益于我们深入了解前辈地质学家对前寒武纪基本地球科学问题进行持续性探索所付出的艰辛努力和他们锲而不舍的科学态度, 也有助于为今后的深入研究寻找更多的学科生长点并促进地球科学的进一步发展。

(责任编辑 张西娟)

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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