在世界各地的前古生界岩系里,蕴藏有极重要的矿产资源,如许多国家著名的铁矿、金矿和铀矿,都在这个时期形成。
前古生代早期的岩石,因为形成的时代很久远,一般都饱经沧桑的变化,它们的本来面目已经不容易辨认。这一时期的代表性岩石组合有两类:一类是片麻岩,是一种由石英、长石、云母等矿物组成的、经历程度比较深的变质作用而形成的岩石。另一类以绿色片岩作为代表,是古老火山作用的产物,经历过中等程度的变质作用。我们刚刚提到的矿产,主要跟后一类岩石组合有关。
前古生代岩石地貌
古老岩石构成稳定大陆的基底,支撑着后来形成的一层层沉积岩石。相对于基底来说,后来形成的沉积岩石也叫盖层。
这些古老的变质岩系还是许多山脉的核心,如我国境内的泰山、嵩山、恒山、五台山等的核心就都是由它们构成的。
所以,古老岩系可以说是大陆的骨干和核心,正是它们对大陆的地质演变起着一定的控制作用。
前面我们提到,地球在此阶段是以最早出现小块陆核作为标志的。后来的大陆就是由陆核逐渐扩大而成的。
各大陆是怎样由陆核逐渐扩大的呢?
现在让我们用研究程度比较好的北美大陆做例子,来说明一下这个问题。
下图是北美大陆不同年龄的古老岩石的分布图。这张图给读者一个清晰的概念,就是年龄最老的岩石占据大陆的中部(竖线区),它们被年龄比较小的岩石所环绕(横线区),越向外去,岩石的年龄越小,这样一圈圈扩大开去。岩石年龄这样有规律的分布证实了北美地质学家早就提出的大陆扩大理论,就是大陆在地质演变的过程中由中心向外一圈圈地增生,使大陆不断扩大。
北美大陆不同年龄的古老岩石分布北美大陆演变的模式给人以启发。其他大陆是否也按照这种方式形成的呢?
现在了解到,其他大陆上不同年龄岩石的分布虽然不像北美大陆那样有规则,但是总可以找到年龄比较小的岩石环绕着陆核或分布在陆核之间的情况。这说明大陆扩大的理论具有一定的普遍意义。
在距今17亿年左右,地球经历了一次最有意义的稳定大陆的形成事件。经过这次事件以后,大陆差不多都接近了它们现在的规模。然而这些新形成的大陆岩石圈还比较薄弱,也没有达到真正的稳定。有人把这个时期的大陆岩石圈叫做原地台,意思是想区别于以后的真正的地台。所谓地台就是地壳上比较稳定的地区,和地壳上强烈活动地区的所谓地槽相对立而存在。在原地台内部和周边还发育着长条形的活动区域,也就是地槽。
为什么说在距今17亿年左右,地球经历了一次最有意义的稳定大陆的形成事件呢?
原来,从全世界大陆增长的过程来看,自从距今30亿年左右最初的陆核形成以来,稳定大陆增长的速率是比较缓慢的。
随着地质历史的进程,稳定大陆增长的速率有加快的趋势。到了接近距今17亿年左右的时期,稳定大陆的面积在相对比较短的历史阶段里大大增加,给人以突然的印象。
如果我们再看一看距今17亿年以后的情况,发生在距今17亿年左右的这个稳定大陆增长事件就更显得突出。因为从距今17亿年以后直到现代,稳定大陆的面积虽然还有所增加,但是增加的规模已经很小了。
稳定大陆增长的这种规律性无疑不是偶然的。但是到目前为止,地学界对这个问题的讨论还不多,也没有找到解释这一规律的一致认识。
对稳定大陆增长规律的认识在地球演变历史的研究中应该是具有头等重要意义的,因为地球演变历史中古地理、古气候的变迁,生物界的演化,乃至水圈、大气圈的演化,无不受岩石圈演变的影响和支配。
稳定大陆增长规律看来主要是由地球演变的内能所决定的。距今17亿年所形成的原地台还比较薄弱,也没有达到真正的稳定。又经过了几亿年的时间,原地台才渐渐稳定下来。从此以后,地球进入了真正的稳定地台和活动地槽两种体制并存的时期。从原地台到地台的转变时期是从距今17亿年到距今14亿年左右这段时期。这是地球岩石圈演变历史中相当重要的一个阶段。
不少地球科学家强调距今17亿年左右原地台形成事件在划分地球演变阶段中的重要意义,这当然是有理由的。不过距今14亿年左右是稳定大陆最终形成的时期,似乎有更加重要的意义。
从原地台到地台的转变过程,在地质学上常常叫克拉通化,克拉通就是古老稳定地台的意思。根据现在所掌握的资料看,原地台曾经多次被来自地球内部的力量所打碎,可是又不断被从下面来的岩浆物质所胶结,变得越来越厚,越来越稳定了。这个过程好比浮在水面上的一片片薄冰,随着气温的下降,变得越来越厚、越来越不容易破碎的状态。
距今14亿年左右以后,地球岩石圈的演变进入了一个新阶段,地台和地槽两种体制处在势均力敌的局面,从此以后,地球上层物质运动的形式也有所不同了。
(二)古生代时期
1古生代时期的划分
古生代,如果作为最古老生命的时代,那固然已经名不副实了;但是,从另外一种意义上来看,古生代还是反映了这个时期的特点:一方面,从古生代开始,生物界进入了空前繁盛的时期,数量之大,种类之多,确实是前所未有的;又因为从这个时期开始,大量出现了有钙质和硅质骨骼的生物,所以其中许多代表得以保存成很好的化石,成为古生物学家的研究对象。另一方面,综观这个时期的生物界,跟古生代以后的生物界面貌却又有很大不同,毕竟是属于古老生命的范围。
古生代时期包括距今57亿年到距今23亿年这段时期,持续34亿年。古生代跟前古生代相比要短得多,但是研究程度要比前古生代高得多。
古生代时期地层地球到这个时期已经经历了几十亿年的演变,大气圈、水圈和岩石圈的物质组成和结构跟今天地球的情况相比已经差不多了。这个时期所发生的地质作用,无论是内力的还是外力的,跟今天地球表面和上层正在进行的相比,也已经很相近了。
古生界的地层总的说可以分为上下两部,就地质年代来说,也就是可以把古生代分成早晚两期。
早古生代包括寒武、奥陶、志留三个纪,从距今57亿~4亿年,持续17亿年。
晚古生代包括泥盆、石炭、二叠三个纪,从距今4亿~23亿年,持续时间跟早古生代相当。
2早古生代地台演变
在前古生代末期,从距今8亿~6亿年这段时期里,岩石圈经历了一系列变动。进入寒武纪以前,地球表面的大陆地势高峻,面积扩大,天寒地冻。
从寒武纪开始,以古陆作为核心的相对稳定区——地台区经过长期的夷平作用之后,地势逐渐趋向平缓;低洼的区域屡次遭到海水浸漫,广阔的浅海不断扩大;环绕着地台区或者位于地台区之间的,是相对活动的区域——地槽区,一般是或深或浅的海槽。
这个时期的地槽分布在古大陆地台的边缘,如北美地台的东西两侧、东欧地台的西缘、中国地台和西伯利亚地台之间、西伯利亚地台和东欧地台之间等,它们主要表现成海槽。
我们说到早古生代地台,这是一个地质构造概念,并不就是指早古生代的大陆,而是指在早古生代处在相对稳定状况的区域。当然相对稳定并不就是绝对不动,地台特别是它的边缘还是有相当的活动性的。
一般来说,地台是大陆规模的成片区域,由基底和盖层两部分构成。基底由古老变质岩组成,刚性比较大,对盖在上面的相对柔软的沉积层起着保护的作用。基底也并不是完整的一块,更不是完全僵死的,而是被断裂分割成若干块,块跟块之间存在着相对运动,比如有的块相对其他块上升,或者在水平方向上有相互错动等。显然,基底发生的运动会影响盖层。读者可以设想一个由几块木板拼起来的台子,上面铺了几层台布,如果木板之间发生相对移动,盖在上面的台布就会相应地产生隆起、凹陷、扭曲、褶皱甚至被撕破。这种情况和地台的运动相类似。
从世界上比较典型的地台来看,地台的运动相对地是比较弱的,以发生在地台内部的相对升降运动的幅度说,它还不及地槽区的1/10。不过地台边缘由于受到相邻地槽的影响,运动幅度一般比较大。
尽管寒武纪早期大陆地势陡峻,但是由于它内部的相对运动逐渐减弱,风化、剥蚀、搬运等外力地质作用渐渐占了上风。到了寒武纪中期,大陆和它邻近地区的地貌已经发生了显著的变化,一般比较均一化,比较低平了。地球表面高低差异减小,因而发生了大规模的海浸,大片的低平大陆被海水所淹盖。这种情况也影响了古气候,使它变得温和了。阳光灿烂的海滩、海水淹盖的大陆架和浅海空前广阔。
正是在这样的环境里,海洋植物和动物得到了稳定的生活条件,大大繁盛起来。寒武纪是地球上最早出现可供利用的煤的时期,如我国南方寒武纪岩层里的一种劣质煤叫石煤的,就是由生活在滨海、浅海的海生植物遗体大量聚集、石化而形成的。大量生物遗体的埋藏还形成了农用肥料——磷矿层。
地台内部的运动往往表现成大块大陆的升降运动。当大陆块缓缓上升的时候,它就成为高出海面不多的平原,当它缓缓下降的时候,又很容易遭到海浸,并且在海底上接受从陆地风化、剥蚀、搬运而来的沉积物。
例如,我国华北地区在早古生代时期的经历就是这样。当古华北地区陆块稍有下降,海平面相对升高,从现代的东海之滨到太行山区都是一片汪洋。当它稍有升高,海平面相对下降,广大的古华北地区又重新露出海面。从寒武纪到奥陶纪,这样的过程不知道经历过多少次,在这里渐渐沉积了几百米厚的碳酸钙质(石灰质)和泥质沉积物。在这些沉积物转变成岩的岩层里夹有许多层所谓龟裂灰岩,就是海底的淤积物常常露出海面发生干裂现象的极好证明。
从寒武纪到志留纪这段历史时期中,虽然在地台的某些局部曾经遭到过比较强烈的变动,但是从总体看,上面说的比较稳定的体制一直保持着。
到了志留纪末期,情况发生了变化。这时候在地台周围和地台之间的地槽区里先后发生了翻天覆地的变化,发生了所谓加里东运动的大变动。加里东运动这个名称来自英国的一个山名。
这场运动延续的时间是用百万年来计算的。而且就一个地区来说,运动还不只发生一次,这每一次在地质学上叫做幕,就像一个剧从序幕开始经过几幕达到剧终的情况那样,一个运动也是由几个幕组成的。
早古生代的地台因为受到加里东运动的影响,原来低平的地区重新被抬高,简单的地貌又变得复杂起来。大片的海水从地台上退去。初始基本上水平的沉积盖层,经过这场变动之后,有的地方发生了倾斜、褶皱,有的地方发生了断裂。然而地台的这些变动的强度远不及地槽区里岩层所发生的变动的强度。志留纪末期的运动使气候也重新变得严峻,同时也难免影响到生物界。
3早古生代地槽区演变
地槽是成长条形状的区域,它不像地台那样具有刚性基底的保护。
一般说来,地槽发育的早期表现是大幅度的下陷,在下陷的同时接受从上升地区剥蚀来的岩屑,再加上来自地下的火山物质,所以在地槽里往往有巨厚的堆积物,下陷幅度10倍于同期发育的地台区。
地槽发育晚期,强烈的构造运动能使地槽里的沉积岩层和火山岩层产生剧烈褶皱和断裂破坏,同时有大量来自地下的炽热岩浆侵入,形成规模很大的侵入岩,数量最多的是大家所熟悉的一种建筑石料——花岗岩。如果一部分岩浆沿着断裂上升到地表,就会形成壮观的火山爆发。
经过地槽晚期的强烈构造运动之后,地槽区从下陷海槽转变成了雄伟的山系——褶皱带,从此之后渐渐走向稳定。
以上就是地槽区演变的大体过程。
早古生代地槽经过加里东运动,转变成稳定的褶皱带,并且镶在地台边缘,这一情况可以英国的地槽作为代表。英国的加里东地槽位于古老的东欧地台的西北边缘,经过加里东运动之后,东欧地台向西北方向扩大了。另外一条类似的地槽褶皱带位于北美地台的东缘。在西伯利亚地台的南缘也有强大的由加里东运动形成的褶皱带,在我国的东南部和秦岭、祁连山、天山等地区也都有加里东皱褶带的发育。
4晚古生代地台和地槽区的演变
跟早古生代开始的时候情况相似,随着均夷作用的进行,地球表面的地势逐渐趋向和缓。从泥盆纪中期开始,在北半球的若干地区重新发生海浸,如我国的南方、前苏联的欧洲部分、北美大陆等地。经过泥盆纪晚期短暂的海退,到了石炭纪中期,海浸规模达到了最大。石炭纪晚期,海水又渐渐退去。
南半球的情况有所不同。泥盆纪早期,地台内遭到过短暂的海浸,中期海水已经退出,整个晚古生代,除某些边缘地区之外,地台内部没有再受到海浸。可见南半球地台的大部分长期处在稍稍隆起的状态。
泥盆纪时期,气候温暖,但是比较干燥。石炭纪时期,气候变得温暖潮湿。而到了二叠纪时期,气候又渐转干旱。
晚古生代的地槽区,在开始阶段接受了厚厚的沉积物和火山物质之后,从石炭纪晚期开始,先后遭到强烈构造运动的影响,转化成褶皱山系。运动此起彼伏,一直延续到晚古生代末期才最终完成。这个运动叫华力西运动,这个名称来自阿尔卑斯山脉中的华力西山。华力西运动也叫海西运动,这个名称来自德国的哈兹山。