從宇宙大爆炸到寒武紀(jì)大爆發(fā)（下）

錢邁平 馬雪

大氧化事件

圖20 ，西澳大利亞的卡瑞吉尼國(guó)家公園（Karijini National Park）福蒂斯丘瀑布（Fortescue Falls）條帶狀鐵建造。（Graeme Churchard）

圖21 ，有些條帶狀鐵建造巖石拋光打磨后花紋美麗，是奇石收藏者青睞的珍品。（ebay.de）

約24億到19億年前，世界許多地方都大量沉積一種鐵礦，地質(zhì)學(xué)上稱為條帶狀鐵建造（BandedIronFormation，縮寫(xiě)B(tài)IF）。特點(diǎn)是交替沉積的氧化鐵薄層，厚度為毫米至厘米級(jí)，既有磁鐵礦（四氧化三鐵Fe3O4）也有赤鐵礦（三氧化二鐵Fe2O3），其間夾泥巖和燧石（二氧化硅SiO2），經(jīng)常呈紅色。今天世界上我們已看不到這種類型的巖石形成，這就意味著形成它們的古海洋條件與今天的完全不同。目前大多數(shù)科學(xué)家的解釋是：早期地球的海洋是酸性的，溶解了大量來(lái)自海底火山提供的鐵。早期地球大氣圈是缺氧的，盡管這些鐵在水中早已飽和，卻沒(méi)有析出沉淀。但隨著形成疊層石的藍(lán)細(xì)菌等微生物興起，它們光合作用釋放的氧氣一旦遇到水中溶解的鐵，會(huì)形成不溶于水的氧化鐵，析出沉淀下來(lái)。因光合作用受日夜或季節(jié)或其他條件的周期性變化控制，氧的供給和鐵的沉積也隨之周期性變化，于是形成了BIF（圖 20、圖 21）。

雖然BIF早在30多億年前的太古宙時(shí)期就已零星出現(xiàn)，那時(shí)疊層石也是零星分布，氧氣的產(chǎn)量很低。但24億到19億年之間卻在世界范圍大量涌現(xiàn)，這正是疊層石分布擴(kuò)展，藻類植物興起，氧氣產(chǎn)量劇增的時(shí)期，這就是地球演化史上著名的"大氧化事件（GreatOxygenation Event）"。

BIF是世界上最重要的鐵礦床，分布十分廣泛，有不少大型、特大型礦床。如，北美的蘇必利爾湖鐵礦、西澳大利亞的皮爾巴拉鐵礦、中國(guó)的鞍山鐵礦、俄羅斯及烏克蘭的庫(kù)爾斯克-克里沃羅格鐵礦等。BIF占世界鐵總儲(chǔ)量的60%以上，占富鐵礦儲(chǔ)量的70%之多（圖22、圖23）。有的地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，約23億年前地球曾有發(fā)生過(guò)一次大冰期，可能與氧氣增加有關(guān)。因?yàn)?，那時(shí)太陽(yáng)還比較年輕，輻射遠(yuǎn)沒(méi)有現(xiàn)在那么強(qiáng)，地表的溫暖有相當(dāng)?shù)某潭纫揽慨?dāng)時(shí)大氣中含量較高的強(qiáng)溫室氣體甲烷。氧氣的大幅度增加，消耗了大量的甲烷，導(dǎo)致全球急劇降溫，進(jìn)入冰期，BIF的形成或許與這次冰期也有關(guān)系。

已知最古老的多細(xì)胞生物

隨著大氣圈氧氣的增加，以及抵御宇宙輻射的臭氧層形成，這時(shí)的地球才真正成為擁有藍(lán)天碧海的美麗星球，不再只有簡(jiǎn)單的顯微鏡才能看到的微小單細(xì)胞生物，復(fù)雜的毫米-厘米級(jí)多細(xì)胞生物也應(yīng)運(yùn)而生。如，2010年公布的非洲加蓬的弗朗斯維爾附近，約21億年沉積巖中發(fā)現(xiàn)的，數(shù)以百計(jì)的10-12厘米大小形狀各異的多細(xì)胞軟軀體生物化石（圖 24）。

疊層石大繁榮

約18億到9億年前，疊層石進(jìn)入最繁榮時(shí)期。

疊層石經(jīng)10多億年的演化發(fā)展，到中元古代時(shí)期，進(jìn)入了最繁榮時(shí)期。其中約12.5億年前，疊層石無(wú)論在規(guī)模數(shù)量上，還是在形態(tài)的多樣性上都達(dá)到繁榮的頂峰，幾乎占領(lǐng)了世界各地的的淺海、淺灘、潮坪、鹽坪、瀉湖及熱泉等水域，并在許多地方構(gòu)成綿延數(shù)千米至數(shù)十千米的大堡礁，是地球大氣圈氧氣的重要供應(yīng)者（圖25）。

圖22 ，西澳大利亞的哈默斯利盆地（Hamersley Basin）條帶狀鐵建造，是世界最大的鐵礦床之一。（micr obiol ogy.ubc.ca）

圖23 ，西澳大利亞的皮爾巴拉鐵礦。（macrobus iness.com.au）

多細(xì)胞宏體藻類興起

圖24 ，非洲加蓬的弗朗斯維爾附近，約21億年前的多細(xì)胞軟軀體生物化石。（El Albani Aet al.,2010）

圖25 ，約18億到9億年前，中元古代，疊層石進(jìn)入最繁榮時(shí)期。（FormeDi Vita Aliena Su MarteIl Daily Mail ELe Immagini Picture）

隨著疊層石的繁榮，多細(xì)胞宏體藻類興起。這些藻類個(gè)體演化達(dá)到毫米-厘米級(jí)，可直接用肉眼觀察，所以叫宏體藻類。如，中國(guó)河北燕山山脈南麓，中元古代高于莊組海相沉積地層的藻類化石生物群，形態(tài)包括帶狀、舌狀、楔形和長(zhǎng)卵形等多種，最大的舌狀化石長(zhǎng)達(dá)28.6厘，寬近8厘米；最大的帶狀化石長(zhǎng)度可達(dá)30厘米以上，寬達(dá)4.5厘米；有的標(biāo)本可見(jiàn)明顯的底部固著器官，表明它們是固著在海底豎直生長(zhǎng)的（圖26）。又如，中國(guó)江蘇、安徽北部及山東南部新元古代海相沉積地層的藻類化石生物群，形態(tài)包括球狀、卵狀、囊狀及帶狀多種，其中帶狀藻類有浮游的，也有固著生長(zhǎng)的（圖27）。由此可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)藻類植物已非常繁盛，它們也是地球大氣圈氧氣的重要供應(yīng)者。

雪球地球事件

約7.2億到6.35億年前，新元古代晚期，地球至少經(jīng)歷了3次（或許4次）大冰期，地球歷史上稱這段時(shí)期為"成冰紀(jì)（Cryogenian）"。地層中保存的特征性冰磧沉積顯示當(dāng)時(shí)地球曾遭受了最嚴(yán)酷的冰期，其冰蓋多次擴(kuò)展和退縮，甚至可能到達(dá)赤道海洋。其中約7.5億至7億年前的斯圖特冰期（Sturtian Glaciation）及6.35億年前結(jié)束的馬林諾冰期（MarinoanGlaciation）規(guī)模最大，幾乎波及全球，這就是地球歷史上著名的"雪球地球事件（TheSnow EarthEvent）"（圖 28）?？梢韵胂瘢菚r(shí)的地球成了一個(gè)冰雪包裹的星球，在茫茫宇宙中疾馳達(dá)數(shù)百萬(wàn)至數(shù)千萬(wàn)年！在這樣的大冰期中，大批生物群滅亡。除了耐寒生物群外，其他殘存的生物群（包括形成疊層石的微生物群）被分割在很局限的避難所內(nèi)，如火山地域的熱液噴口及熱泉附近，繼續(xù)生息繁衍，相互隔絕數(shù)百萬(wàn)至數(shù)千萬(wàn)年，各自獨(dú)立演化。

"雪球地球事件"是嚴(yán)寒-酷熱急劇轉(zhuǎn)換的環(huán)境巨變，其完整的沉積地層序列自下而上是："復(fù)理石建造"（巨厚的砂巖和泥巖）或火山巖，冰磧巖及含鐵或錳沉積巖，"蓋帽"白云巖，以及含磷沉積巖。

圖26 ，中國(guó)河北燕山山脈南麓高于莊組海相沉積地層，約15.6億年前的中元古代藻類化石生物群。（ZhuS-Xet al.,2016）

"雪球地球事件"成因至今仍未完全研究清楚，通常的解釋是：

12.5億到8.2億年前發(fā)生的一系列大規(guī)模造山運(yùn)動(dòng)，如北美的格林威爾運(yùn)動(dòng)（The GrenvilleOrogeny）北歐的挪威運(yùn)動(dòng)（The SveconorwegianOrogeny）及中國(guó)的晉寧運(yùn)動(dòng)等，導(dǎo)致許多地區(qū)的地殼升降劇烈。而當(dāng)時(shí)地球的陸地都處于赤道和低緯度地區(qū)，氣候炎熱多雨，抬升地區(qū)的巖石侵蝕作用強(qiáng)烈，產(chǎn)生巨量的陸源碎屑，被河流帶入海洋，沉積巨厚的砂巖和泥巖。同時(shí)，強(qiáng)烈的侵蝕作用大量消耗大氣中的溫室氣體二氧化碳，導(dǎo)致氣溫下降，地球兩極冰蓋擴(kuò)大。

到約7.2億年前，開(kāi)始進(jìn)入成冰紀(jì)。約7.5億年前，當(dāng)時(shí)地球上的一個(gè)巨大的陸地——羅迪尼亞超大陸（Rodinia）在地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中分裂解體，導(dǎo)致大量的河水沖進(jìn)海洋，從根本上沖淡了海水的鹽度，更容易導(dǎo)致冰層的形成和擴(kuò)張。超大陸的裂解還導(dǎo)致一些地區(qū)持續(xù)發(fā)生大規(guī)模的火山爆發(fā)，噴出的大量二氧化硫到達(dá)對(duì)流層頂，甚至進(jìn)入平流層，難以通過(guò)降雨回到地面，長(zhǎng)期滯留高空而阻擋太陽(yáng)輻射，也會(huì)導(dǎo)致地球氣溫下降，兩極冰蓋擴(kuò)大。

隨著地球冰蓋從極地向低緯度擴(kuò)張，輻射到地球的陽(yáng)光被冰雪大量反射，導(dǎo)致氣溫進(jìn)一步下降，又進(jìn)一步導(dǎo)致冰蓋擴(kuò)大。一旦冰蓋越過(guò)地球30度緯度，面積超過(guò)地球表面50%，冰雪對(duì)太陽(yáng)輻射的反射就開(kāi)始加速加劇，產(chǎn)生失控的反射反饋效應(yīng)（runawayalbedofeedback），一發(fā)不可收地致使地球氣溫加速度下降，直至赤道海洋凍結(jié)。此時(shí)地球平均氣溫下降到約零下50攝氏度，要知道今天地球的平均氣溫是約15攝氏度?？上攵?，那時(shí)的地球是多么寒冷！而且地質(zhì)記錄顯示，這樣的冰封可能持續(xù)上千萬(wàn)年！

同時(shí)，因冰雪覆蓋，巖石的化學(xué)風(fēng)化作用減弱，對(duì)大氣中的二氧化碳消耗大大減少。陸地火山不斷噴出的二氧化碳，在大氣中逐漸積累達(dá)到很高的濃度，直至達(dá)到現(xiàn)代大氣二氧化碳含量的350倍！地球開(kāi)始解凍，冰蓋從低緯度向兩極退縮。同樣，冰蓋一旦退過(guò)地球30度緯度，即啟動(dòng)與失控的反射反饋相反的效應(yīng)，使地球氣溫加速度升高，直至地球完全解凍，進(jìn)入酷熱環(huán)境，全球平均氣溫約50攝氏度。

圖27 ，中國(guó)江蘇、安徽北部及山東南部新元古代海相沉積地層，約8億多年前新元古代藻類化石生物群。（Qian M-Pet al.,2009）

圖28 ，"雪球地球事件"時(shí)期的地球（NA SA/SPL）

由于地球的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)一直都沒(méi)停止，沿相互撕裂的洋中脊，以及相互抵觸的島弧-海溝，分布著許多海底火山，它們噴涌的巖漿，不斷改變著海水的化學(xué)性質(zhì)。上千萬(wàn)年的冰封，使大氣中的氧不能溶入凍結(jié)的海洋，全球水域會(huì)長(zhǎng)期嚴(yán)重缺氧。隨巖漿噴出的鐵、錳等元素，不能形成氧化物沉淀，很容易溶解進(jìn)水里，逐漸積累到高濃度狀態(tài)。隨著洋面迅速解凍，大氣中的氧氣溶入海水，與這些高濃度鐵、錳等元素發(fā)生反應(yīng)，形成大量氧化物沉淀，在許多地方富集成礦。因各地區(qū)化學(xué)環(huán)境不同，有的地區(qū)鐵富集形成鐵礦，如中國(guó)贛湘桂地區(qū)的"新余式鐵礦"（圖29）；有的地區(qū)錳富集形成錳礦，如中國(guó)湘鄂川黔地區(qū)的大塘坡組錳礦層。

圖29 ，中國(guó)江西省新余市良山鐵礦露天開(kāi)采區(qū)。（j xdkj.gov.cn）

圖30 ，率先提出"雪球地球"概念的美國(guó)地質(zhì)學(xué)家保羅·霍夫曼（Paul Hoffman）（右）和丹尼爾·施拉格（Dani el Schrag）在納米比亞進(jìn)行地質(zhì)考察?？梢?jiàn)"蓋帽"白云巖，直接覆蓋在解凍沉積形成的冰磧巖上。(PaulF.HoffmanandDanielP.Schrag,2000)

在酷熱的氣候及特有的海水化學(xué)性質(zhì)等一系列條件作用下，淺海形成了那個(gè)時(shí)期特有"蓋帽"白云巖，直接覆蓋在解凍沉積形成的冰磧巖上（圖 30）。

雪球地球期間，幸存的生物群落會(huì)分散避難于世界各地可維持生存的零星區(qū)域，如熱泉附近等地。當(dāng)兩個(gè)起初相同的群落被彼此分隔孤立超過(guò)幾百萬(wàn)年，可能會(huì)通過(guò)某種程度的基因突變，產(chǎn)生新物種。

"雪球地球"結(jié)束后，約6億到5.8億年前，通過(guò)劇烈轉(zhuǎn)換的嚴(yán)寒-酷熱氣候的多次篩選，幸存下來(lái)的生物類群隨著氣候環(huán)境趨向改善，數(shù)量開(kāi)始回升，群落開(kāi)始擴(kuò)散并彼此融合，迅速分異增殖，種類和數(shù)量空前增加。它們?cè)诋?dāng)時(shí)特定環(huán)境下的生命活動(dòng)，形成大量磷氧化物，在許多地方富集成礦，如中國(guó)貴州甕安陡山沱組、江西廣豐皮園村組磷礦層（圖31）。這些"雪球地球"解凍后形成的沉積礦床，規(guī)模相當(dāng)大，往往延伸上千千米，而且品位較高，是重要的礦產(chǎn)資源。

埃迪卡拉輻射（也稱為：阿瓦隆爆發(fā)）

圖31 ，中國(guó)江西省上饒市廣豐區(qū)皮園村組磷礦層。（QianM-Pet al.,2012）

隨著"雪球地球"結(jié)束，地球歷史進(jìn)入新的歷史時(shí)期，即埃迪卡拉紀(jì)（Ediacaran），時(shí)限約6.35億到5.41億年前。這個(gè)時(shí)期，標(biāo)志著原始生物時(shí)代的元古宙結(jié)束和較高等生物時(shí)代的顯生宙開(kāi)始。其間發(fā)生的一次重大的生物演化事件，就是埃迪卡輻射（EdiacaranRadiation），或稱阿瓦隆爆發(fā)（AvalonExplosion）。地球生命迅速向厘米級(jí)以上的更大個(gè)體和更加多樣化發(fā)展。如，發(fā)現(xiàn)于中國(guó)安徽省休寧縣藍(lán)田鎮(zhèn)附近的藍(lán)田生物群就是其早期的代表，包括各種扇狀和叢狀生長(zhǎng)的海藻，以及具有觸手和類似腸道特征的動(dòng)物，個(gè)體大多3~4厘米長(zhǎng)，大的可達(dá)15厘米（圖32）。

約5.85億年前，各種各樣已知最古老的多細(xì)胞復(fù)雜生物迅速出現(xiàn)在世界各地。它們的個(gè)體大小通常為厘米級(jí)，甚至達(dá)到米級(jí)，最常見(jiàn)的有管狀、棕櫚葉狀、盤狀、墊狀或囊狀，大多固著生長(zhǎng)，也有漂浮、游泳或爬行的，繁盛一時(shí)，這就是埃迪卡拉生物群（Ediacaran Biota）。它們都是軟驅(qū)體生物，沒(méi)有口、肛門和消化道等器官分化，形態(tài)構(gòu)造與后來(lái)顯生宙出現(xiàn)的生物門類完全不同，甚至到現(xiàn)在古生物學(xué)家們?nèi)噪y以確定它們的系統(tǒng)演化關(guān)系（圖33）。

圖32 ，中國(guó)安徽省休寧縣藍(lán)田鎮(zhèn)附近，約6.35億到5.8億年前的化石生物群。（Y uanX-Let al.，2011）

約5.41億年前，隨著寒武紀(jì)的開(kāi)始，埃迪卡拉生物群突然大量消失。也正是這時(shí)，隨著地球大氣圈氧氣的增加，新的更加豐富多彩的動(dòng)物類型爆發(fā)性出現(xiàn)，它們具有口、肛門和消化道等器官分化，有的還長(zhǎng)出牙齒、甲殼或外骨骼，這就是寒武紀(jì)大爆發(fā)（CambrianExplosion）。寒武紀(jì)大爆發(fā)出現(xiàn)的動(dòng)物門類延續(xù)至今，而埃迪卡拉生物群卻隨之絕滅。

寒武紀(jì)大爆發(fā)

顯生宙的第一個(gè)歷史時(shí)代是古生代（PaleozoicEra），時(shí)間跨度：約5.42億至2.52億年前。分為6個(gè)紀(jì)：寒武紀(jì)（5.42億至4.85億年前）、奧陶紀(jì)（4.85億至4.44億年前）、志留紀(jì)（4.44億至4.19億年前）、泥盆紀(jì)（4.19億至3.59億年前）、石炭紀(jì)（3.59億至2.99億年前）和二疊紀(jì)（2.99億至2.52億年前）。

寒武紀(jì)是古生代，也是顯生宙的第一紀(jì)，從約5.42億年前的艾迪卡拉紀(jì)結(jié)束，到4.85億年前的奧陶紀(jì)開(kāi)始，歷時(shí)5700萬(wàn)年。其間發(fā)生了地球生命演化史上一次重大事件——"寒武紀(jì)大爆發(fā)（CambrianExplosion）"！現(xiàn)代各類動(dòng)物的祖先幾乎一起涌現(xiàn)出來(lái)，如，中國(guó)云南省澄江縣約5.15億年，以及加拿大的大不列顛哥倫比亞省布爾吉斯隘口附近約5.08億年的海相沉積巖石里，都發(fā)現(xiàn)了許多保存精美的各種各樣的動(dòng)物化石，它們分別被稱為"澄江動(dòng)物群"或"布爾吉斯動(dòng)物群（BurgessFauna）"（圖 34）。從此，地球生命演化進(jìn)入新紀(jì)元。

圖33 ，約5.85億年前，各種各樣已知最古老的多細(xì)胞復(fù)雜生物迅速出現(xiàn)在世界各地，這就是埃迪卡拉生物群。（RyanSomma）

圖34 ，加拿大的大不列顛哥倫比亞省布爾吉斯，約5.08億年前的海洋生物群。（nature.com）