地球總的歷史已有46億年,但人類產(chǎn)生才300萬年左右,人類文明史卻只有6000年左右,只是歷史長河中短暫的一瞬.人類對漫長早期史的了解是不能直接觀測到的,但是,地球史有其本身的發(fā)展規(guī)律及其周期系統(tǒng),因而地球史呈現(xiàn)明顯的階段性,根據(jù)各種類型的巖石、化石、巖層變形的跡象、巖層或巖體之間關(guān)系等地質(zhì)紀錄,利用放射性同位素衰變測定法、氨基酸消旋測定法、古地磁法等現(xiàn)代科技手段的探測研究,可把地球演變發(fā)展史分為以下五個階段：
一、地球的誕生和它的童年
地球是太陽系的一個成員,它跟太陽系的起源有密切的關(guān)系.這樣,要認識地球形成和早期的演變歷史,當然離不開探索整個太陽系的起源,而太陽系是眾多恒星中的一員,因此我們可以根據(jù)恒星演變的一般規(guī)律推測太陽系以至地球的起源了.
一顆恒星的演化可以大體上分成三個階段,第一階段為引力收縮階段,即彌漫星云間的相互引力而集中成一團團星云；第二階段為核反應階段,原始星云間相互碰撞發(fā)熱,內(nèi)部進行劇烈核反應；第三階段是衰老階段,即作為核聚變?nèi)剂蠚浜偷戎鸩胶谋M.
根據(jù)恒星演化一般規(guī)律,可推測大約在距今50～60億年以前,一團星云開始集中,在引力收縮的過程中,這團星云的大部分物質(zhì)進入中心,形成原始太陽,開始有了形體,并開始發(fā)光.之后,由內(nèi)部核反應產(chǎn)生的巨大能量,使它每時每刻都在放射光和熱.
地球最早可能是由大大小小的星云團集聚而成的,一般認為在距今47億年前它已經(jīng)增長到現(xiàn)代地球質(zhì)量相近了.這時候的地球還只是許多微星的集合體,叫原地球,原地球在引力收縮和內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生熱的作用下,不斷受熱,當原地球內(nèi)部溫度達到足以使鐵、鎳等元素熔融時,鐵、鎳等元素迅速向地心集中,在46億年前左右形成地核和地幔,地殼初步分異作用.原始地殼比較薄弱,而地球內(nèi)部溫度又很高,因此,火山頻繁活動,從火山噴出的許多氣體,構(gòu)成原始大氣,如CH4、NH3、H2、H2O（水蒸氣）、H2S、HCH等,但無游離的氧（現(xiàn)在大氣中的氧是光合生物藍藻和綠色植物出現(xiàn)后長期積累起來的）.這種還原性大氣在閃電、紫外線、沖擊波、射線等能源下,形成一系列有機小分子化合物,有氨基酸、核苷酸等（這已被美國科學家米勒設計的模擬雷鳴閃電的火花放電裝置使無機物合成有機物這個實驗得到證實）.這些有機小分子化合物或直接落入原始海洋,或經(jīng)由湖泊、河流匯集到原始海洋,在海洋中層長期積累、相互作用,在適當條件下,進一步縮合成結(jié)構(gòu)原始、功能不專一的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子,這些生物大分子在原始海洋中積累,濃度不斷增加,凝聚成小滴狀,形成多分子體系.在一定的進化概率和適宜的環(huán)境條件下,再經(jīng)過長期不斷進化,大約在35億年前終于形成了具有新陳代謝和自我繁殖能力的原始生命體.此為生命演化的第一階段,即非細胞生命階段,實現(xiàn)了從非生命到生命轉(zhuǎn)變的過程.
地球的童年,從距今46億年形成時期起,大約延續(xù)到距今30億年左右,一共15.16億年.當然,對于地球的童年,現(xiàn)在知道的還不多,仍然是一個有待進一步探索的課題.
二、地球的少年時期
從距今30億年左右到5.7億年這段時間,地球進入了少年時期,也就是前古生代時期.雖然這個時期延續(xù)時間十分漫長,大氣、水、生物圈也都有很大發(fā)展,可是生物界的進化卻很緩慢,直到前古生代末期,地球上也還只是有菌類、藻類和一些低等原生動物、腕足類動物等.這跟寒武紀以后生物界突飛猛進的發(fā)展情況形成了鮮明對比.
地球進入少年時期是以最早出現(xiàn)小塊陸核作為標志的,后來大陸就是由陸核逐漸擴大而形成的,地球上發(fā)現(xiàn)的有確鑿證據(jù)的小塊穩(wěn)定陸核形成于距今28億年前,地點在非洲南部.直到25億年前,各大陸內(nèi)相繼形成若干個小塊穩(wěn)定陸地.后來在距今17億年左右,地球經(jīng)歷了一次最有意義的穩(wěn)定大陸形成事件,穩(wěn)定大陸的面積在相對比較短的歷史階段里大大增加,大陸差不多接近了它現(xiàn)在的規(guī)模.但形成的大陸巖石圈（也稱原地臺）還比較薄弱,保留有相當?shù)幕顒有?沒有達到真正的穩(wěn)定.
從原地臺到地臺的轉(zhuǎn)變時期是從距今17億年到距今14億年左右,根據(jù)科學家對資料的研究分析來看,原地臺曾多次被來自地球內(nèi)部的力量所打碎,又不斷被下面涌上來的巖漿物質(zhì)所膠結(jié),變得越來越厚,越來越穩(wěn)定,因此,距今14億年左右是穩(wěn)定大陸最終形成時期,地球巖石圈的演變進入了一個新的階段.
在此時期,生物界的發(fā)展進入第二階段,即原核細胞階段,這一階段生命已經(jīng)有了細胞形態(tài),有真正的細胞膜,但是還沒有真正的細胞核,分不出真正的核膜和核仁.主要以在28～20億年前最為盛行的藍藻為代表,它能進行真正的光合作用,吸收二氧化碳,放出氧氣,使早期地球的還原性大氣逐步被氧化型大氣所替代,其后接著進入到第三階段的進化,出現(xiàn)了真核細胞,從原核細胞發(fā)展到真核細胞是生物界完成的最重要的一次進化.
三、地球的古生代時期
古生代時期的地層可分成早、晚兩期,早古生代分為寒武、奧陶、志留三個紀,從距今大約5.7億年到4億年；晚古生代包括泥盆、石炭、三疊三個紀,距今4億年到2.3億年.這3.4億年時間是最古老生命的時代,地球到這個時期已經(jīng)歷了幾十億年的演變.從寒武紀開始,地臺經(jīng)過長期風化、剝蝕、搬運等外力地質(zhì)作用,地球表面高低差異減少（即平夷作用）,低洼區(qū)域?qū)以夂Ｋ?淺海面積不斷擴大.此時期是地球上最早出現(xiàn)可利用的煤的時期,如我國南方的一種煤—石煤,就是由生活在濱海、淺海的海生植物遺體大量聚集石化而形成的.到了志留紀末期,地臺周圍和地臺之間的地槽區(qū)發(fā)生了加里東（英國的一個山名）運動的大變動,延續(xù)時間為幾百萬年.原來低平地區(qū)重新被抬高,簡單地貌復雜起來.經(jīng)過這場變動之后,有的地方發(fā)生了傾斜、褶皺,有的地方發(fā)生斷裂,大陸總面積擴大.隨著平夷作用的又一次進行,地球地勢又逐漸趨向平緩,太平洋若干地區(qū)重新發(fā)生海浸,在石炭紀中期,海浸規(guī)模達到最大.從石炭紀晚期開始,強烈的構(gòu)造運動使地槽里的沉積巖和火山巖層產(chǎn)生劇烈的褶皺,轉(zhuǎn)化成褶皺山系,構(gòu)造運動此起彼伏,一直延續(xù)到晚古生代末期才完成,這個運動叫華力西（阿爾卑斯山脈中的華力西山）運動.
華力西運動使位于歐洲和非洲之間的地槽,東歐地臺和西伯利亞地臺之間的烏拉爾地槽、西伯利亞、中亞、中國地臺之間的廣大地槽區(qū)、北美、東緣的阿巴拉契亞地槽都轉(zhuǎn)化成褶皺山系,海水退出,使歐亞大陸連成一片.全球大陸塊達到最大程度的相互接近,這就形成了全球統(tǒng)一大陸——潘加亞大陸,大陸總面積已經(jīng)跟今天地球上的大陸總面積相差無幾了.
在前古生代末期,植物和動物已經(jīng)分化.在植物界中,藍藻和菌類繁盛；在動物界中,已經(jīng)出現(xiàn)低等無脊椎動物,進入寒武紀,植物界中的紅藻、綠藻等開始繁盛；動物界中,若干門類無脊椎動物,尤其是三葉蟲突發(fā)性開始繁榮.奧陶紀的海洋里,植物界中藻類廣泛發(fā)育,海生無脊椎動物中以頭足類居多,在奧陶紀晚期,已經(jīng)出現(xiàn)了原始的沒有頜的圓口魚形脊椎動物——無頜類.真正的魚類是出現(xiàn)在志留紀晚期.到了泥盆紀時,魚類已經(jīng)很繁盛,是當時最高等的動物.其中有一種總鰭魚,以后發(fā)展成為兩棲類.
由于加里東運動,使大陸面積擴大,某些海洋消失,環(huán)境劇烈變化,使那些適應性強的生物種類生存了下來.在泥盆紀中期,陸生植物得到很大的發(fā)展,許多種屬已經(jīng)長成大樹,并且出現(xiàn)了昆蟲、兩棲類.到石炭紀中期,出現(xiàn)了森林,昆蟲也進一步向空中發(fā)展,同時由兩棲類進化而來的爬行類也出現(xiàn)了,后來的華力西運動,使海水退去,大陸面積更加擴大,使生物界向大陸進軍的進程又大大推進了一步,總的來說,在古生代時期,植物界從低等的水生藻類進化成比較高等的陸生植物,動物界從比較低等的海洋無脊椎動物進化到魚類和陸生爬行類動物,完成了向大陸進軍.
四、地球的中生代時期
中生代時期分為三疊、侏羅、白堊三個紀,從距今2.3億年起到6700萬年前結(jié)束,延續(xù)時間大約1.6億年.
中生代開始以后,地球史發(fā)展出現(xiàn)了新的轉(zhuǎn)折,潘加亞大陸逐步解體,各個陸塊漸漸趨向于漂移到現(xiàn)代所處的位置,巖石圈又經(jīng)歷了一系列重要的變動.中生代開始經(jīng)二三千萬年,到了三疊紀末期,在北美、南美之間和歐亞、非洲之間發(fā)生了分裂,在南部的幾個陸塊之間也發(fā)生分裂,開始互相移開；到了侏羅紀晚期,各個陸塊進一步分裂,在北美和歐亞大陸之間,南美和非洲之間產(chǎn)生了一條大體上是南北方向的巨大裂隙,陸塊向兩邊移開,海水浸進去,這就是未來的大西洋；又過了七千萬年,到了白堊紀晚期,情況又進一步變化,各大陸繼續(xù)互相移開,最顯著的是南美和非洲之間的距離加大,也就是說南大西洋有了明顯的擴張.
以上所說的中生代時期大陸分裂的歷史根據(jù)是什么?分裂原因又是什么?這得從下面的假說說起.
首先是奧地利地球物理學家魏格納（A.L.Wegenge,1880～1930）于1912年提出的大陸漂移假說,他認為地球是一個由熱變冷的天體,它的表層先冷卻,凝結(jié)成固體的地殼,地殼的上層是較輕的硅鋁層,它的下層是較重的硅鎂層,處于熔融狀態(tài).如同冰塊浮在水面上一樣,大陸也是浮在它的基底——硅鎂層之上的.潘加大陸由于地球向東自轉(zhuǎn)和潮汐力的作用,原始大陸緩慢地向西移動,以后出現(xiàn)了裂縫,崩解.他還認為,太平洋是古老的大洋,同原始大陸一起存在,后來因為美洲大陸向西漂移,它的范圍逐漸縮小,縮小面積等于大西洋擴大的面積,印度洋是在澳大利亞和南極大陸分離后才出現(xiàn)的,至于北冰洋,它原來就是太平洋的一部分,在地質(zhì)學和古生物學的文獻資料中找到了大陸漂移的論據(jù)：南美洲東岸的西依拉山脈和非洲西岸的開普山脈,不僅地質(zhì)構(gòu)造相同,而且它們的礦層成份和年齡都一樣；其次是古生物資料,那時代的古生物研究證明,南半球的幾個大陸上,石炭紀時期的爬行動物中,有64％的種是共同的,到了三疊紀時,也就是推測南半球的幾個大陸已經(jīng)分裂了一段時間之后,幾個大陸爬行動物中共同種已經(jīng)下降到34％；再次是根據(jù)古氣候資料,用古氣候條件的特殊沉積物,如反映古赤道氣候的由熱帶植物形成的煤層、反映干熱氣候條件的鹽類沉積等進行分析,發(fā)現(xiàn)其跑到了今天的高緯度地區(qū),而反映古極區(qū)的冰磧卻跑到了今天的赤道地區(qū),也稱為極移.但是,這個假說在盛行一時之后便遭冷落了.
直到本世紀五十年代初期,古地磁學的興起,研究證明大陸漂移的軌跡與古地磁學是吻合的.地球磁場分南北兩極,億萬年前形成的巖石層中,保留著當時的磁性紀錄,利用精密儀器,對巖石剩余磁性的測定,可以知道不同大陸在不同地質(zhì)時代的地磁北極的位置及其移動,研究表明,各大陸測定地磁北極在相應地質(zhì)時代移動路線不同,最終都在今天會合于磁北極.
其次是六十年代初,美國學者赫斯(H.H.Hess,1906～?)和迪茨(R.S.Dietz,1914～?)提出了海底擴張假說,這個假說的基本思想是：熱的、具有一定塑性的物質(zhì)從下面的軟流圈里上涌,通過巖石圈里的裂縫,在未來的洋脊軸部侵入,涌出的巖漿冷凝成新的洋底,并推動原始洋底向二側(cè)擴張,大陸隨之漂移.經(jīng)過一段時間以后,新的洋底不斷加寬,已經(jīng)裂開的大陸殼被帶到離大洋裂谷更遠的地方.
既然新的大洋巖石圈不斷地從每個大洋里產(chǎn)生,老的大洋巖石圈向外移開,大洋在擴張,長此下去,地球體積不是越來越膨大了嗎?直到后來海底擴張假說和大陸漂移假說相互結(jié)合后,才說明了這個問題,那就是不斷增生的大洋巖石圈在地球的另外一些地方又重新回到軟流圈里去而消亡了,這跟全球性地震活動帶的研究密切相關(guān).從而使地球科學中形成一個完整而系統(tǒng)的,能從宏觀上闡述地球上層發(fā)生的各種運動的學說——板塊構(gòu)造學說.此學說把地殼分為太平洋板塊、印度洋板塊、歐亞板塊、非洲板塊、南極洲板塊和美洲板塊,每板塊又分成幾個小塊.所有的這些板塊構(gòu)成一層巖石圈.各板塊的交界處是地殼的活動地帶,板塊隨著洋底擴張而移動.洋脊附近是板塊生長帶,有大西洋中脊、印度洋中脊、東太平洋隆起這三處.海溝附近是板塊消減帶,就是太平洋東、西邊緣海溝部分.當密度較大的板塊向密度較小的板塊俯沖時,引起強烈地震和火山作用；仰沖則形成島嶼或高大山系.
中生代的氣候條件總的說來是有利于動植物發(fā)展的,中生代早期的植物以裸子植物松柏、蘇鐵、銀杏以及某些真蕨為主.到中生代晚期,出現(xiàn)了能夠真正開花結(jié)果的植物——被子植物,被子植物是植物界中最高等的門類,它們在傳播和繁殖后代方面具有顯著優(yōu)越性.在動物界里,中生代常常被稱為爬行動物時代,其中以恐龍最為繁盛,到侏羅紀時期成為地球的霸主,但是在白堊紀卻突然絕滅了,究其原因,至今還是得不到恰當解釋的科學之迷.從爬行動物發(fā)展而來的兩類更高級脊椎動物——鳥類和哺乳類,也在中生代時出現(xiàn)了.
五、地球的新生代時期
新生代時期是地質(zhì)歷史時期中最新的一個時代,包括現(xiàn)代在內(nèi)整個新生代大約為6700萬年,由第三紀和第四紀組成.
雖然新生代延續(xù)時間相對較短,但就在這個時期,地球表面海陸分布、氣候狀況,生物界面貌逐漸演變到現(xiàn)代的樣子.
新生代時期最突出的事件是非洲跟歐洲的接近和印巴次大陸跟亞洲的相撞,其結(jié)果使一部分巖石圈上層物質(zhì)互相推擠,形成了橫亙于南北半球之間,綿延幾乎達到地球半周的最雄偉的山系和高原,它西起非洲北部的阿特拉斯山,經(jīng)南歐的阿爾卑斯山,東延是喀爾巴阡山,接高加索山、土耳其和伊朗的高原和山地、帕米爾高原和山地,向東就是世界屋脊喜馬拉雅山和青藏高原,再向東南去,中南半島和印尼諸島的山脈也都跟它相連.這就是阿爾卑斯山造山運動和喜馬拉雅山造山運動的產(chǎn)物.
太平洋跟周邊大陸的相互擠壓作用也使大陸邊緣的構(gòu)造帶持續(xù)發(fā)生了強烈的變形和巖漿作用,并且伴有強烈的地震活動,這些作用一直到現(xiàn)代還在進行.以及被各個地質(zhì)歷史時期的運動所形成的斷裂切割成大大小小的斷塊,在大陸邊緣各種作用和巖石圈物質(zhì)運動的影響之下,發(fā)生了互相推擠,拉開或相對升降,形成了山地、高原、盆地和平原.
新生代早期的動物主要有兩大類：古有蹄類和古食肉類,隨著它們的進化,到了第三紀中、晚期,古有蹄類先是有奇蹄類,如馬、犀等,后有偶蹄類,如羊、牛等；古食肉類也漸漸進化成各種猛獸,如獅、豹、虎等.生物經(jīng)過幾十億年的進化,走過了從無到有、從低級到高級的許多發(fā)展階段,終于在最新地質(zhì)歷史時期產(chǎn)生了生命之花——人類.人類的進化是生物界長期演變的結(jié)果.
促成地球演變的因素,總的來說,不外乎內(nèi)外兩個方面.外部因素就是在地球外部的大氣圈、水圈、生物圈里的作用力,它所引起的地質(zhì)作用就是風化、剝蝕、沉積等作用.它的主要能源是太陽能、地球的重力.另外還有太陽、月亮對地球的引潮力,以及地球時期歷史中的隕石沖擊作用等.內(nèi)部因素主要有兩個方面：一是蘊藏在地球內(nèi)部的放射性元素衰變產(chǎn)生的熱；一是由重力能轉(zhuǎn)變而來的能.內(nèi)外兩方面的因素相互依存,又相互矛盾,共同決定著地球表層和內(nèi)部的物質(zhì)運動.
如果從十九世紀中葉賴爾的名著《地質(zhì)學原理》出版算起,到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年了.經(jīng)過許多地球科學家的努力,再上天文學、物理學、化學、生物學、數(shù)學等基礎學科的發(fā)展和技術(shù)進步對其的促進,地球演變研究已經(jīng)取得了巨大進展.然而由于問題的復雜性,科學家們在一些涉及地球演淅返鬧卮笪侍饃先勻淮嬖諮現(xiàn)胤制紜?
縱觀科學地球史這門學科的發(fā)展,可以這樣說：地球科學家正處在取得認識上新的飛躍的前夕.未來的地球科學家們一定能把科學地球史這門重要的基礎學科推向一個嶄新的發(fā)展時期.