18.演变中的地球：一段动态历史
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THE EVOLVING EARTH: A DYNAMIC HISTORY
哦，地狱的威胁与天堂的希望！
至少一件事是必然的——
生命在飞翔；
只有一件事是必然的，而其他的一切
都是虚妄——
任何花朵都会消亡，
尽管它曾经怒放。
——《鲁拜集》，奥马·海亚姆
（RUBAIYAT OF OMAR KHAYYAM）
我突然想到，这颗漂亮的蓝色小豌豆就是地球。我翘起拇指，闭上一只眼睛。我的拇指遮住了行星地球。我不觉得自己像个巨人，我感到自己非常非常渺小。
——尼尔·阿姆斯特朗
（NEIL ARMSTRONG）
本章研究目标
本章内容将涵盖：
· 地球演变的不同阶段
· 海洋和大气层形成的时间线
· 第一批活体细胞的证据
· 生命在各个地质时期的发展
· 大规模灭绝事件
地球的地壳大约在44亿年前形成。从那时起，由于构造板块的运动、大陆的形成与漂移、海底的扩张、山脉的生成和许多其他我们在第17章中讨论过的过程，地球的表面经历了天翻地覆的变化。这些过程发生在诸如侵蚀、地震和生命这些次级效应开始重塑地球之前。理解地球的演变和造成这些演变的过程，对于研究动植物生命出现所需要的条件是至关重要的。然而问题是，我们只知道一颗像地球这样的行星，因此没有任何可以与我们的发现进行对照的事物，这与恒星和星系不同，对于它们，我们可以找到非常近似的类比。因此，观察早期地球是非常困难的。我们只能从化石和岩石中保留的过往记录中撷取信息。这种方法存在的问题是，来自早期地球的记录不完整，因为包含这些记录的物质可能遭到了侵蚀或者形态有所改变。
在地球的初期阶段，它的表面是熔融的，还没有形成固体地壳。当时的地球面临着来自陨星的狂暴轰击，它的大气层中不含氧气，大部分是氮气、甲烷、氨、二氧化碳和水蒸气。月球与我们之间的距离大约只相当于今天的一半，并对地球表面施加着相当大的潮汐作用。任何地质记录都无法在极早期地球的恶劣环境中幸存下来。所以，我们有关地球最初5亿年历史的了解非常有限。从45亿年前到7亿年前，地球历史的80%处于前寒武纪（Precambrian）或者说隐生宙（Cryptozoic，拉丁词，意为“隐居生活”）时期。我们只能从火成岩和变质岩中找到来自这一时期的信息。然而，许多历时如此长久的岩石发生了严重的形变，而且缺少标准化石作为对照。地球晚些时期的历史，包括早期大气和海水的形成，可以通过研究沉积岩得到揭示。同位素年代确定技术的发展显著地加深了我们对于地球事件编年史的理解。
本章将为读者呈现不同地质时期的地球历史（专题框18.1），并研究每一个事件导致下一个事件的条件。我们将研究一系列使地球成为今天这颗行星的事件。本章以10亿年前（109年前，简写为GYA）和百万年前（106年前，简写为MYA）作为时间单位。
研究地球的早期历史
地球的早期历史只能通过从那时遗留至今的证据来间接地研究。为了进行这样的研究，地质学家们要寻找如下特征：
· 确认现已遭到侵蚀的早期造山地带（orogens），并寻找在形变（岩石层皱褶和断层）、变质岩和火成岩生成之后留下的岩石记录。
· 研究大陆的年龄和生长。通过使用年龄测定技术，地质学家们在不同地点测量了地壳的年龄、岩石的年龄和特征，以及它们受到造山运动影响的年代。这种研究揭示了使地壳在其中形成的构造板块环境。
· 对于保存在某些地点的沉积岩的研究，揭示了积聚在那里的沉积物的类型。例如，通过确认含有生物化石的岩石的环境，可以测量海平面的变化。
· 通过寻找在不同纬度上形成的化石和岩石，地质学家们试图发现能够在某种气候条件下生长的植物。例如，如果在两极附近发现了热带植物并断定了它们的年代，我们就可以知道，在某个特定时期，极地的气候和大气更加温暖。
专题框18.1 地质时间段
地质学家们将地球的历史以不同的时间段划分。这些时间段并不相等，因为它们是根据地球的地质事件和生物历史来划分的。用于划分地质年代的事件包括：某些身体中含有坚硬部分的动物出现，或者某些动植物的灭绝等。以下是各种地质时代：
万古（Eons）：也叫作宙。这是最长的地质时间段，长度以亿年计。
代（Eras）：万古被分割为小一些的代。代的边界由地球历史中的重大事件决定。代的长度以亿年计。
纪（Periods）：代被分割为纪。纪的边界不像代那么清楚。纪的长度以千万年计。
世（Epochs）：世是纪下面的子划分，只用于比较近代的事件。这是因为早期的地质化石遭到了侵蚀，其中许多特征由于地球的长期过程而消失。世的长度以百万年计。
地球演变的时间线
根据最新估计，地球的年龄为45.7亿岁。宽泛地说，地球演变的时间线可以按照生命的历史分为两大域：一个是高级生命之前的时期，叫作前寒武纪万古，其中又可细分为冥古宙、太古宙和元古宙三个万古；另一个是显生宙万古，由古生代（古代生命）、中生代（中等生命）和新生代（新生命）三个代组成，分别对应于地球历史中生命的开始、进化与高级生命出现的时期（图18.1，专题框18.1）。我们将在以下各节讨论地球历史中的不同万古。
图18.1 地球45亿年历史中不同的万古、代、纪和世
插图出处：图18.1: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Geologic_time_scale.jpg.
前寒武纪（45.7亿—5.42亿年前）
这一万古涵盖了地球年龄的80%，并可细分为三个不同的万古：冥古宙、太古宙和元古宙（图18.1）。前寒武纪跨越了我们的行星在复杂生命形式出现之前的历史。
冥古宙（45.7亿—38.5亿年前）
地质学家们没有发现在地球形成（通过星子与陨星的年龄测量得出大约为45.7亿年前）与最古老的岩石出现（大约40.5亿年前）或大陆地壳形成（大约38.5亿年前）之间的任何地质记录。在地球形成和大陆地壳形成之间的时间间隔叫作冥古宙（Hadean，为拉丁词，意为“地下”）。在此期间，地球面对着星子的持续碰撞并逐渐成长。天体碰撞带来的动能被转化为热能，这股极大的热量与化学元素的放射性衰变产生的热能结合，使地球保持着熔融状态。大约45亿年前，铁元素由于引力沉入地核后，地球经历了分异过程。大约与此同时，一个大小相当于火星的天体撞击了地球，使地球围绕太阳旋转的速度加快，并从地球上击出了碎片。这些碎片后来冷凝形成了月球（第16章，图16.1），月球在距离地球大约20万千米处围绕地球旋转（与此相比，今天的地月距离为38.4万千米）。地球一直在发光，直到44亿年前，由于半衰期较短的放射性元素已经全部衰变完毕，放射性元素衰变产生的热能降低了。这时，地球的地壳形成并固体化。这个观点的证据来自一种叫作锆石的矿物质，人们在西澳大利亚发现了它。锆石最初在火成岩中形成，其年龄约为44亿岁。
图18.2 图中显示了火山的脱气过程，它们释放了来自地球中心的物质和化学元素。这是大气形成和水蒸气积蓄的原因，这些水蒸气随后会凝结成雨水，填入海洋
在冥古宙中，来自地球地幔的物质通过脱气过程（outgassing process）得以释放（图18.2）。这是一个通过火山活动把来自地球中心的物质向外界环境释放的过程。脱气导致了地球大气层的中气体聚集与海洋中的水生成。这些挥发性物质（即易于从固态或液态转变为气态的物质）包括水（H2O）、甲烷（CH4）、氨（NH3）、氢气（H2）、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）和二氧化硫（SO2）。从地幔中释放的水蒸气可能在地表外较凉爽的环境下变成了液态水，形成雨水填充入海洋（图18.2）。所以，第一批海洋可能形成于大约44亿年前。在今天发现的锆石颗粒中有痕量的水存在，说明水的确在大约44亿年前存在。水（或许也包括海洋）在地球上存在的第一个证据来自冥古宙，年代大约为38.5亿年前，是在今天的格陵兰（Greenland）海洋沉积岩中发现的。海洋的形成需要冰冷而坚硬的固体地壳。在此期间，地壳也是狂暴轰击的目标，它将使任何已经存在的水蒸发，或者摧毁地球由脱气过程形成不久的大气。这种情况一直持续到39亿年前，那时狂暴轰击的强度下降，放射性物质产生的热也减少了（专题框18.2）。
专题框18.2 冥古宙的主要事件
这是地球从星子碰撞及其后的尘埃与气体积聚形成的时期。由地球外的天体的碰撞产生的热能熔化了岩石。在冷却之后，像铁这类较重的元素下沉到达地核，而较轻的元素，如硅，则运动到地球表面。在澳大利亚发现的44亿年寿命的锆石颗粒证实，地球的地壳是在这一时期内固化的。而且，在锆石颗粒中也发现了痕量的水。这些证据支持“稳定的陆地是在冥古宙首先形成的”这一假说。第一批海洋和大气也在同期通过脱气过程形成。
太古宙（38.5亿—25亿年前）
太古宙（Archean，希腊词，意为“开始”）开始于大约38.5亿年前，是冥古宙结束、地球的固体地壳形成的时候。大陆在太古宙中形成，重新塑造了地球表面。在这一万古之初，地球的温度过高，无法使固体地壳存在，但随着时间推移，地球熔融的表面慢慢固化成为地壳，陆地也逐步变成了大陆。通过在俯冲区域形成的较小的陆地，大陆和火山弧在32亿年前到27亿年前形成。到了太古宙结束的时刻，大约80%的大陆已经形成。地球上第一批岩石也在这一太古中形成（专题框18.3）。
毫无疑问，太古宙中发生的最重要的事件，就是生命的第一种形式的发展。其证据来自保存着细菌或古核生物细胞化石的岩石，以及只有活体生物才能产生的生物标志物。活体生物的一个很方便的示踪物是与生物体结合的12C。因此，人们用富碳沉积物中的12C/13C比率来寻找生命的早期形式。地质学家们已经发现了含有活体生命痕迹的可追溯到38亿年前的古老岩石，还发现了含有叠层石（stromatolites）的太古宙岩石，其年龄测定为32亿年前，而前者是由蓝细菌（cyanobacteria）产生的沉积物。地质学家们认为这种细菌是地球上存在的第一种生命形式。这些岩石是在热带环境的浅水中被发现的，从而说明最早的生命大约出现在32亿年前的太古宙，在温暖的海水深处，而且有证据表明，能够产生光合作用的生物第一次出现在大约27亿年前（第21章）。
专题框18.3 太古宙中的岩石类型
当温度降低时，地球地壳在太古宙中形成，其中包括五类岩石。所以，今天发现的任何这类岩石都为我们提供了太古宙的信息。这五种类型包括：
·片麻岩（Gneiss）：可以在太古宙变质岩的残余中找到。
·绿岩（Greenstone）：在参与撞击的地壳中的海洋地壳内形成。在早期大陆中形成的玄武岩属于这一类型。
·花岗岩（Granite）：在大陆火山弧的熔融地壳生成的岩浆中形成。
·硬砂岩（Greywacke）：来自火山地区和海底沉积的受到侵蚀的沙子与黏土的混合物。
·燧石（Chert）：由深海中沉积的二氧化硅形成。
出处：专题框18.3: Stephen Marshak, “Rock Types in the Archean Eon,” Earth: Portrait of a Planet, Fourth Edition. Copyright © 2012 by W. W. Norton & Company, Inc.
到了太古宙结束的时刻，地球的地壳已经完全形成，第一批大陆已经就位，原始的生命已经在温暖的深水中出现了。板块构造在这一时期很活跃，大陆之间的碰撞使山脉开始形成。大气中的二氧化碳在海洋中溶解，降低了这种气体在大气中的比例。太古宙一直持续到25亿年前（专题框18.4）。
专题框18.4 太古宙的主要事件
有证据表明，原始大气和海洋出现在早期太古宙中。而且，人们在寿命为35亿岁的岩石中发现了以细菌和绿色藻类形式存在的最早的生命迹象。这一时期的大气毒性很大。火山活动使大气中充满了水和二氧化碳，但没有多少自由氧。太古宙中的自由氧的主体是由厌氧的蓝细菌（cyanobacteria，蓝绿色藻类）通过二氧化碳和水的光合作用生成的，其中释放出的氧气是反应的副产品。火山释放的脱气物质中的水蒸气凝结，形成了海洋。
元古宙（25亿—5.42亿年前）
元古宙（Proterozoic，希腊文意思是“早期生命”）持续了大约20亿年，随之而来的是寒武纪，那时发生了生物物种的井喷式爆发。元古宙中有两个主要事件：一是高速运动的构造板块向更为稳定、更大的结构过渡，其间持续组装了大陆；二是大气中氧气的富集。在这一时期，大约90%的大陆地壳形成。大陆不断碰撞与合并，最终在大约10亿年前形成了叫作罗迪尼亚的超级大陆。元古宙见证了地壳景观的迅速变化。人们假定在大约7.5亿年前，今天的印度、澳大利亚和南极洲陆地从超级大陆上解体，四处漂流。
图18.3 通过条带状含铁构造（BIF）产生的铁氧化物痕迹（红色区域）
图18.3: Copyright © Graeme Churchyard (CC by 2.0) at https:// en.wikipedia.org/wiki/File:Banded_iron_formation_Dales_Gorge.jpg.
元古宙的另一个重大事件，是生命从没有细胞核的单细胞生物（原核细胞，即古核生物和细菌）向更复杂的有细胞核的细胞（真核细胞）持续进化。生命标志物和岩石中发现的化石证实了早在21亿年前，第一批真核细胞（eukaryotic cells）便在岩石中存在。于是，作为今天的多细胞复杂生物基础的真核细胞首次出现在太古宙中。我们有大量的化石证据证明这些细胞在大约12亿年前大量出现。到了太古宙即将结束的时候（大约5.65亿年前），更复杂的多细胞生物形式登上了舞台。人们发现，直到进入寒武纪很长一段时间，这些后来成为化石的生物仍旧存在，之后才走向灭绝。而且，具有运动能力的简单生物有史以来第一次发生进化，其中包括水母和蠕虫这些生物。
一旦原始形式的生命发生进化，便会影响大气的发展和组成。在生命出现之前，大气中的氧气很少。由于氧气对于蓝细菌藻有毒害作用，在太古宙中的某个时刻，这种细菌第一次把氧气作为废品释放到大气中。后来，随着从大气中摄取二氧化碳并释放氧气的光合作用生物的出现，氧气才大量出现在大气中。氧气首先被矿物质吸收，而当矿物质无法继续吸收它们时，氧气便进入了大气，导致大约24亿年前发生的大氧化灾变（great oxygenation event）。这一事件让更复杂的多细胞生物得到进化，对于生物及其进化具有极其重大的影响。大气中的氧气使臭氧（O3）在大气中形成，它能够阻断来自太阳的有害紫外辐射，使生命挺进陆地成为可能。
氧合作用对于世界还有其他影响。在大氧化灾变发生之前，无论铁是怎样存在的，它都采取了可溶于海水的化合物的形式。一旦氧开始得到释放，便会与铁发生反应，生成无法被水溶解的氧化铁，于是这种物质便像沉积物那样沉入海底。最终，它变成了岩石类型的沉积物，叫作条带状含铁构造（BIF），那是铁的氧化物矿物质层造成的后果。BIF的痕迹会出现在矿物质中，它们是今天的铁的来源（图18.3）。人们利用BIF估计大气中氧化作用发生的时间。这些研究表明，大气的氧化作用是在18亿年前完成的。除了生成臭氧，大气中氧气的增加会使多细胞生物更容易利用新陈代谢取得能量。
在元古宙结束时，地球的气候变冷了，陆地上和海洋中都是如此。海洋上的冰盖切断了海水中的氧气供应，造成了海洋生命的大灭绝。当二氧化碳由于火山活动而在大气中积蓄，又由于表层冰盖的存在而不能被海水吸收时，冰川期结束了。大气中增加的二氧化碳引起了温室效应（greenhouse effect），使地球变暖，融化了覆盖陆地与海洋的冰（专题框18.5）。
专题框18.5 元古宙的重大事件
元古宙最重要的事件之一是氧气在大气层中的积蓄。氧气的生成早在太古宙即已开始，但释放到大气中的数量微不足道，直到所有的硫和铁都通过吸收氧气被氧化之后，情况才发生变化。在此之后，也就是大约23亿年前，氧气大量进入大气层。元古宙也见证了大陆的形成和重要的构造板块活动。当叠层石在这个时期大量出现时，元古宙中出现了第一种复杂细胞——真核细胞，以及生命的多细胞形式。
显生宙（5.42亿年前至今）
显生宙（Phanerozoic，希腊文意思是“可见的生命”）是最新的万古，因此留下了许多可以用来找到有关这一时期详情的痕迹（图18.1）。在这个时期，大陆发生改变，山脉升高了，生物的多样性出现了，所有这些都在今天的化石上留下了痕迹。这个万古可以分为三个代：古生代（Paleozoic，希腊文意思是“古代生命”）、中生代（Mesozoic，希腊文意思是“中间的生命”）和新生代（Cenozoic，希腊文意思是“最近的生命”）（专题框18.6）。我们将分别描述每个时代。
古生代初期（5.42亿—4.44亿年前）：这个时期包括寒武纪和奥陶纪（图18.1）。在古生代早期的寒武纪，罗迪尼亚大陆分裂为小的大陆，其中包括由北美洲和格陵兰组成的劳伦古大陆（Laurentia）和由南美洲、南极洲、印度和澳大利亚组成的冈瓦纳大陆（Gondwana）。此后海平面上升，出现了浅水水域，海洋生物可以在那里进化。在这一时期，海平面后来又由于沉积岩的积聚而下降。
来自这个时期的化石记录显示了生物的多样性。人们称寒武纪开始后出现的生物多样性为寒武纪大爆发（Cambrian explosion），这一过程历时2 000万年。寒武纪大爆发出现的原因可能是大陆的分裂，每一块陆地都发展出自己的生态环境。寒武纪的动物是贝壳状的，而这一时期结束时，三叶虫（trilobites，第23章）正生活在海底。
第一批脊椎动物（形式为无颔鱼）生活在古生代早期的奥陶纪。奥陶纪的大部分时间里不存在陆地生物，有关陆地植物或动物的最早证据是奥陶纪晚期的藻类。在大气层中形成了保护地球不受太阳紫外辐射伤害的臭氧层之后不久，生命开始从海洋向陆地迁徙。由于温度降低导致的冰川作用，奥陶纪结束时发生了一次大规模灭绝事件。
寒武纪与奥陶纪的海洋生物之间有着明显的不同，其中最明显的区别在于动植物的多样性。在寒武纪，动物群（fauna）结构简单，三叶虫和海绵覆盖着海底。这种情况在奥陶纪发生了重大变化：一些生物来到了距海底半米以上的地方。寒武纪只有150个动物家系，奥陶纪增加到了400个。寒武纪的动物群多样性低，结构简单。
古生代中期（4.44亿—3.59亿年前）：这个时期包括志留纪和泥盆纪。由于温室效应，冰川作用在志留纪结束。火山生成的二氧化碳气体无法被覆盖着冰层的海水吸收，被留置在大气中，造成气候变暖，从而融化了冰层，使海平面上升。造山运动在此期间仍在继续。
由于海上的冰盖融化，海洋生命再次出现，新物种代替了在奥陶纪末期大规模灭绝中消失的物种。植物有史以来第一次形成了树林，有种子和脉络的树木在陆地上生长。植物在进化中不断长大，到了泥盆纪的最后阶段，陆地上已经出现了茂密的森林。大约在这一时期，昆虫、蜘蛛和蝎子出现在陆地上，鲨鱼和硬骨鱼统治了海洋。在这一时期的后期，两栖动物走上了陆地。最早在陆地上行走的动物很可能是提塔利克鱼（Tiktaalik）。这种鱼大约生活在3.75亿年前，泥盆纪末期，湖泊浅水区的贫氧环境中。提塔利克鱼是鱼向两栖动物转变的第一个证据，它们进化出肺，并开始呼吸空气（图23.13）。它们很可能是今天的爬行动物、鸟类和哺乳动物的祖先（专题框18.6）。
古生代晚期（3.59亿—2.51亿年前）：这个时期包括石炭纪（Carboniferous）和二叠纪（Permian）。此时的气候变得凉爽，海洋水位也降低了。在石炭纪，海洋给大陆让位，生成了海滨区域与河流三角洲，那里沉积着沙子和有机物。这些陆地的一部分向赤道附近移动，并由于那里的热带气候形成了茂密的大型森林，树木被埋藏在地下千百万年后，最终变成了煤。这一时期的一个重大事件是大陆的不断碰撞，由此形成了一个叫作泛大陆的超级大陆。在此期间，一些当今地球的结构开始形成（今天的非洲与南欧碰撞，而中国与西伯利亚相连，专题框18.6）。
生物进化在古生代晚期仍在继续。在石炭纪末期，蟑螂一类的昆虫登上了舞台，而两栖动物和爬行动物也在二叠纪出现在陆地上。这里的一个重大事件是生物繁殖的一种新方式出现，即爬行动物在陆地上产卵，而不必在水中繁殖。这使动物可以在它们过去无法生活的区域存在。古生代晚期出现了一次大规模灭绝事件，很可能是由广泛的火山活动造成的，它们阻断了阳光，改变了海水的化学成分与性质，可能导致地球上高达95%的物种灭绝。
专题框18.6 古生代的重大事件
古生代开始于5.42亿年前，大约于2.51亿年前结束。这一时期呈现出生物多样性，也叫作寒武纪大爆发，其原因是大陆分裂造成了陆地的分散分布，各块陆地发展出自己的生态。由于氧气在大气层大量存在，多细胞生物得到了发展。而且，臭氧层的形成使生物得以从海洋向陆地挺进。化石证据说明，在陆地上行走的第一批动物是一种鱼，它们在大约3.75亿年前生活在浅水区。这也是已知最早的一种生物从鱼向两栖动物的转变。它们进化出肺，是爬行动物、鸟类和哺乳动物的祖先。大陆板块在这个时期内碰撞、合并，生物多样性持续发展。爬行动物发展了新的繁殖方法，即在陆地上产卵，而不需要在水中繁殖。植物有史以来第一次在陆地上形成了种群。古生代见证了多次大规模灭绝，它们是由冰川和火山活动引起的大气层CO2积聚造成的。
中生代（2.51亿—6 500万年前）
中生代早期与中期（2.51亿—1.45亿年前）：这个时期包括三叠纪（2.51亿—2.06亿年前）和侏罗纪（2.06亿—1.44亿年前）。在此期间的一次重大事件是由断裂现象造成的泛大陆超级大陆的分裂。因此，北美大陆与欧洲大陆和非洲大陆分开。随后，大西洋开始扩大，大西洋洋中脊形成。这个时期的气候相对温暖，到侏罗纪后期才变得凉爽了一些。中生代的另一个重大事件是由于俯冲形成了火山岛环。这些岛屿与由泛大陆分裂形成的现有大陆合并，使各大陆的总面积有所增加。
在二叠纪的大规模种族灭绝发生后，中生代早期出现了能在海洋中游泳的爬行动物、陆地上的第一批乌龟和能在空中飞翔的爬行动物。这些动物在这个时期发展了多样性。恐龙首先在三叠纪末期出现。到了侏罗纪末期，庞大的恐龙统治了地球。恐龙的体重超过100吨，是一种温血动物，腿长在身体下面，与爬行动物不同。始祖鸟（Archaeopteryx）是第一种带有羽毛的鸟类，它们在这个时期出现在天空中（图23.20）。哺乳动物最早的祖先出现在三叠纪晚期，它们是一些看上去像老鼠的生物（专题框18.7）。
中生代晚期（1.45亿—6 500万年前）：这个时期主要包括白垩纪（Cretaceous period）。泛大陆进一步分裂，非洲和南美大陆与南极洲分开，开始相互远离，增加了大西洋的面积。今天的澳大利亚也与南极洲分离，印度开始奔向亚洲“主大陆”。海洋扩张发生得很快，火山活动更加频繁。通过温室效应，火山活动释放的二氧化碳气体增加了大气层的温度，提高了海平面，在大陆上造成了严重的洪水。白垩纪时期出现了一种下颌很短的新型鱼类，它们与巨龟一起统治着海洋。陆地上的恐龙占领了各个生活区域。鸟类变得多样化，哺乳动物的大脑逐渐变大，但整个身体还是很小。
图18.4 深颜色的条带表明岩石在白垩纪（下）与第三纪（上）之间的年代分界线。这条线是一层黏土，其中也含有煤
插图出处：图18.4: https://en.wikipedia.org/wiki/File:KT_boundary_054.jpg.
在大约6 500万年前的白垩纪末期，地球遭到了一个直径13千米的陨星的撞击，撞击地点在当今墨西哥的尤卡坦半岛（Yucatan Peninsula）。有关这一点的证据是中生代的白垩纪与新生代（Cenozoic）初期的第三纪（Tertiary period）之间地层成分的急剧变化。人们把这一界线叫作“KT”[1]（图18.4）。化石年代测定技术证实，这一变化是突然发生的，从而支持了发生突然灾变的理念。地质学家沃尔特·阿尔瓦雷茨（Walter Alvarez）发现，在白垩纪和第三纪的深海石灰岩层之间有一层黏土薄层（图18.4）。人们在石灰岩下面发现了白垩纪浮游生物（由在湖面上漂浮的细菌组成的微生物）的壳，还在黏土层的上面发现了没有浮游生物的第三纪石灰石岩层。这说明，在这两个时期之间的某个时间点上，所有的浮游生物突然消失了，在海洋外留下的物质只剩下了黏土。对黏土的进一步分析揭示，黏土中包括其他不同寻常的成分，如木灰和石英碎片（即遭到强大压力形成的石英颗粒）。人们还发现黏土中含有一种叫作铱的非常重的元素。由于铱在地球表面相当罕见，而在地外天体中大量存在，唯一能够解释这些发现的说法是，该地层是因撞击事件而产生的，而白垩纪—第三纪灭绝事件很可能是一个巨大的小行星撞击地球的结果。森林燃烧产生的灰烬和天体的冲击造成了这些石英的撞击颗粒。这一灾难性的碰撞发生于6 500万年前，导致了恐龙的灭绝和白垩纪末期动植物的大规模灭绝。碰撞造成的冲击力造成了海啸，使大片大陆沉到海水以下，碰撞产生的极大的热能点燃了森林，蒸发了海洋中的水，把碎片抛撒在大气层中。碎片在几个月内阻止了阳光的射入，使大气层温度降低。再加上与水相互反应的化学物质形成的酸雨的作用，光合作用遭到阻碍，食物链被打断，大规模灭绝出现（专题框18.7）。
专题框18.7 中生代的重大事件
这个时期见证了泛大陆这片超级大陆分裂为多个较小的大陆的过程。非鸟类恐龙统治地球长达1.6亿年，并在侏罗纪达到巅峰。由恐龙进化而来的鸟类，也是第一次出现在侏罗纪。首批哺乳动物在这一时期出现，但它们身材纤小。这个时期随着6 500万年前发生的一次大规模灭绝事件结束。人们认为这一事件杀死了恐龙，也使大量动植物生命消失。
新生代（6 500万年前至今）
这是距离当今最近的时期，因此，我们能够得到更多关于这一时期的详细信息。新生代可以细分为更小的时间区段（纪和世）（专题框18.8）。
在这个时期，泛大陆进一步分裂与演变，形成了我们今天观察到的山岳和大陆分布。与此同时，澳大利亚与南极洲分离，格陵兰与北美洲分离，北海在英国和欧洲大陆之间形成。由于海底扩张，大西洋变得更大了，使北美洲从欧洲向西运动。印度和一些火山岛与亚洲碰撞，形成了喜马拉雅山和西藏高原。类似地，非洲和一些火山岛碰撞，形成了阿尔卑斯山，而汇聚型边界则在南美洲形成了安第斯山。
专题框18.8 新生代——最近的地质年代
新生代分为两个时代：6 500万年前到1 800万年前的第三纪和1 800万年前至今的第四纪（Quaternary）。
第三纪又进一步分为两个时代：老第三纪（Paleogene，希腊词，意为“老起源”），从6 500万年前到2 400万年前；新第三纪（Neogene，希腊词，意为“新起源”），从2 400万年前到1 800万年前。这种划分是新生代特有的。
老第三纪分为三个时代：古新世（Paleocene，希腊词，意为“较老的新世代”），从6 600万年前到5 600万年前；始新世（Eocene，希腊词，意为“新之黎明”），从5 600万年前到3 400万年前；渐新世（Oligocene，希腊词，意为“近期之新”），从3 400万年前到2 300万年前。
新第三纪分为两个时代：中新世（Miocene，希腊词，意为“不那么新”），从2 300万年前到500万年前；上新世（Pliocene，希腊词，意为“更新些”），从500万年前到250万年前。
第四纪分为两个时代：更新世（Pleistocene，希腊词，意为“最新的”），从250万年前到1.1万年前；全新世（Holocene，希腊词，意为“全新的”），从1.1万年前至今。
新生代的气候变冷，南极冰川在渐新世早期（3 300万年前）形成。这一逐渐变冷的趋势一直持续到中新世后期（大约1 100万年前）。海洋冰封，水域后退，使一些陆地暴露于空气之中，从而形成了不同大陆之间通过“陆桥”的链接，如阿拉斯加与亚洲东部，为人类和动物的迁徙提供了通道。类似的通道也在澳大利亚与东南亚之间形成，使人类和动物得以迁徙到澳大利亚。气候在大约1.1万年前的全新世开始变暖，这一趋势一直延续到今天。
白垩纪末期的大规模灭绝事件发生后，世界逐渐稳定下来，植物复苏，森林成长。到了这一时代的中期，草开始在陆地上蔓延，新生代的热带温度使森林面积扩大。化石证据证实，今天我们能够看到的大多数哺乳动物都是在新生代出现的。特别是，有一批大型哺乳动物出现在这个时代，但在过去1万年间灭绝了。正是在新生代，我们的类猿灵长目远祖首次出现，并在2 000万年前的中新世变为多个物种。此后，在大约400万年前，类人灵长目首次出现；大约240万年前，人属（Homo）家庭成员首次出现，这些都发生在非洲。我们的祖先叫作智人（Homo sapiens），是在大约50万年前取得自己的身份的。现代人是在大约20万年前首次出现的。所有这些，都发生在地球历史上的更新世和全新世（专题框18.8），那时的气候经历了急剧的变化（专题框18.9）。
专题框18.9 新生代的重大事件
在这一时代，大陆演变成为我们今天见到的格局。气候变冷造成了海洋水位的下降，并在大陆之间形成了陆桥，使动物可以在各大陆之间迁徙。许多当今世界的地标，包括山脉和火山岛，都是在这一时代形成的。新生代也叫哺乳动物时代。猿类灵长目在这一时代首次出现，我们的祖先也在200多万年前首次出现。
地球历史上的主要大灭绝
地球在自己的生命旅程中见证了几次毁灭性的大规模灭绝，每次都将许多动植物物种一扫而空。这样的大灭绝结束后，生命都会重新开始，并根据当时的环境与条件创造新的物种。这说明产生生命的条件是可以再生的。换言之，生命的起因不是在遥远过去的某个单一事件，生命也不是自发出现的。按照时间次序，我们已知的灭绝事件包括：
· 寒武纪初期（5.12亿年前）发生了已知最早的大规模灭绝，消灭了全部海洋物种的50%。
· 奥陶纪末期（4.39亿年前）的灭绝导致85%海洋物种的消失，包括许多三叶虫。
· 泥盆纪后期（3.65亿年前）的灭绝导致70%～80%的动植物物种消失，包括珊瑚和腕足类（Brachiopods）动物。
· 二叠纪—三叠纪（2.51亿年前）发生了地球上最大规模的灭绝事件，96%的海洋物种与陆地物种灰飞烟灭。
· 三叠纪末期（1.99亿年前）的灭绝导致76%的海洋物种消失，其中包括海绵、腹足类动物（Gastropods）、头足类动物（Cephalopods）、昆虫和脊椎动物。
· 白垩纪末期（6 500万年前）的灭绝被认为是导致恐龙死亡的事件。陆地上与海洋中超过80%的物种惨遭不测。由于这是距今最近的一次灭绝事件，我们知道更多与之相关的细节。
造成灭绝的原因各异。它们中的许多并不是瞬间发生的，而是延续数百万年的逐步发展的结果。例如，奥陶纪末期的灭绝就是因为海平面的变化导致的，影响的只是海洋生命——当时的生命只能存在于海洋中。泥盆纪后期的灭绝发生在一段2 000万到2 500万年的时间内，是由全球气候变冷造成的，结果只影响了温暖区域的物种。二叠纪—三叠纪的灭绝是毁灭性最大的一次事件，是由两个相隔1 000万年的不同时间引起的。地球历时2 000万年才从这次灭绝的影响中恢复。这一事件改变了地球上生命的历史。这次灭绝的起因尚不完全清楚，但很可能是几个不同的事件共同造成的，其中包括：二氧化碳和甲烷在大气中突然释放，火山活动和小行星碰撞的发生。白垩纪末期的最后一次大灭绝，是由一颗直径至少10千米的陨星或彗星碰撞地球引起的。有关这一点的有力证据来自二叠纪—三叠纪之间的沉积岩中过量的铱，而我们知道，这种金属来自外星天体。人们发现，这次碰撞的地点是在墨西哥的尤卡坦半岛上的一个陨石坑，直径180千米，深20千米。
总结与悬而未决的问题
地球有着一段充满活力的历史，它的景观一直在变化。随着测定岩石年龄的同位素年代测定技术不断发展（精确度更高），人们对地球发展史的研究也在不断深化。一系列沉积岩沿水平方向排列，层层挤压，每一层都比它下面的更年轻、比它上面的更古老，它们确定了地球历史事件的发生次序。在每层岩石中发现的化石都会告诉我们，当时存在着什么样的生物。当没有岩石沉积或者已有的岩石遭到侵蚀，岩石的次序会出现不一致与缺失，这说明发生了偏离进化的事件，如大规模灭绝。这些事件是地质学家们将地质时间划分为万古、代、纪和世的依据。地质时间间隔并不相等，而是根据在这些时期内发生的重大事件来划分的。
由于地球在45.7亿年前形成后一段时间内的极高温度，地球历史的最初6亿年没有留下任何岩石记录。大陆地壳大约在38.5亿年前形成，那时出现了原始大气，其中氧气含量极低。最早的化石记录表明，在这一时期出现的生命的最初形式是细菌和古核生物。在太古宙形成的永久性固体地壳发生了碰撞与合并，形成了山脉带和海洋。大约在25亿年前，由蓝细菌等简单生物进行的光合作用增加了大气层的氧气含量。大约在10亿年前，大陆地壳合并，形成了罗迪尼亚超级大陆。之后，罗迪尼亚分裂，形成了小一些的大陆，它们相互碰撞，再次结合在一起，形成山脉，并在大约5亿年前形成了新的超级大陆，叫作泛大陆。在此期间，许多植物与昆虫出现在陆地上，有壳的无脊椎动物和无颔鱼出现在海洋中。大约2亿年前，泛大陆分裂成小一些的陆地，导致许多事物形成，其中包括大西洋。在1.35亿年间，恐龙统治了地球，这种状况一直延续到它们在6 500万年前的灭绝。大约在这一时间，大陆碰撞并最终以我们今天看到的陆地分布稳定了下来。第一批灵长目动物出现在大约400万年前，第一个人属家系出现在240万年前。智人在大约50万年前开始步入舞台。
这样的历史是地球独有的吗，还是其他行星也可以有类似的历史？在这方面有一些悬而未决的问题。是否可以利用我们对地球的观察得到的信息，来确定某些行星正处于几十亿年前地球所处的演变阶段？哪些特征能告诉我们其他行星的条件，以及那里是否存在着生命？我们能否在更为短暂的时间内进行观察，找到有关地球更早期历史的更多细节？我们现在还不清楚第一批海洋是什么时候出现的。以锆石颗粒为基础的数据，是地球上的水或者第一批海洋出现在44亿年前的第一项证据。然而，我们也可以对这些数据做出其他解释。
回顾复习问题
1. 地质学家们将地球的历史分为宽泛的两大域。这两大域是什么？其划分标准是什么？
2. 挥发性物质的定义是什么？举出这种物质的几个例子。
3. 水存在的证据说明它最早是什么时候出现的？人们是怎样发现这一点的？
4. 地球的地壳是怎样形成并且固化的？
5. 大陆是什么时候形成的？
6. 人们是怎样发现生命的最早期形式的？最早的生命处于何种状态？
7. 氧气是怎样第一次在大气中出现的？
8. 解释元古宙的主要事件。
9. 解释大氧化灾变。
10. 寒武纪大爆发背后可能的原因是什么？
11. 寒武纪与奥陶纪的海洋生命之间有什么区别？
12. 志留纪冰川活动结束的原因是什么？
13. 超级大陆泛大陆是在什么时期形成的？是怎样形成的？
14. 古生代的大规模灭绝事件的原因是什么？
15. 中生代初期与中期发生了什么重大地质事件？
16. 解释大陆桥是怎样在世界上不同的部分之间形成的。这些大陆桥带来了什么结果？
17. 第一批哺乳动物是什么时候出现的？
18. 地球历史上的大规模灭绝事件的起因是什么？
参考文献
Marshak, S. 2012. Earth: Portrait of a Planet. 4th ed. New York: Norton.
Prothero, D.R., and R.H. Dott. 2010. Evolution of the Earth. 8th ed. New York: McGraW-Hill.
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注释
[1] “KT”界线的由来：这条线分隔了白垩纪和第三纪。其中，K为希腊文“kreta”（白垩）的首字母，T为“teritiary period”（第三纪）的首字母。——编者注