地球的演化

元古宙初，地球表面温度开始下降到水的临界温度374℃以下，大气圈中的水蒸气开始凝结成热雨降落到地面，地球表面开始积水。随着地表水量的增加，地面出现热水河流、湖泊和海洋和产生热水沉积地层及矿床，并出现生命和微生物。元古宙末，地球表面温度和大气压下降到常温常压，大气圈中的水蒸气已经大部分凝结成水滴降落到地面，天空放晴。地球表面形成完整的水系。

元古宙构造运动以垂直运动为主。热水沉积岩层总厚度可达两万米。元古宙地表热水从高温下降到常温，可分为四个阶段：高温热水期（下元古代）；中温热水期（中元古代）；低温热水期（上元古代）和过渡期（震旦亚代）。

一、下元古代高温热水期（同位素地质年龄26亿—21亿年）

下元古代初，地球表面温度下降到374℃以下，天空出现降雨，大气圈中的水蒸气开始逐渐减少，气压降低，到下元古代末地表气温降低到300℃。整个下元古代地球表面处于高温和超高气压，乌云密布，雷雨交加的天气。

如前所述，晚太古代地球表面经历了约7亿年的高温潮湿的风化期，出露地表的片麻状花岗岩形成了巨厚的风化带。进入元古宙之后，天空出现降雨。下元古代大气圈中富含二氧化碳、硫、磷和卤族元素，大气降水属高温强酸性热卤水，具有极强的侵蚀和溶解能力。在河流的源头和流经的地域皆为巨厚的片麻状花岗岩风化土，无坚硬的石块。故在下元古代地层中一般不出现砾岩，仅在火山活动区出现火山喷发岩的砾石。

晚太古代的片麻状花岗岩风化带遭受了下元古代强酸性热卤水降雨的剧烈侵蚀，片麻状花岗岩中大量的碱金属、碱土金属和铁及成矿杂质元素被带出，片麻状花岗岩风化带在原地被改造为由高铝硅酸盐矿物（堇青石、蓝晶石、矽线石等）组成的结晶片岩。下元古代的底部地层通常由这些岩石构成。

下元古代初期地球表面几乎准平原化，地势平缓，河床宽阔，河床两侧的河漫滩十分发育，由于河流水位的变化，在河漫滩上常出现化学组分高度浓集的积水。当化学组分达到过饱和时，便会结晶沉淀形成各种高温矿物组合的结晶粒岩和结晶片岩。在碳酸盐成分高度集中的热水盆地周边和底部常结晶出大理岩。

下元古代常见的地层，有由堇青石、矽线石、透辉石、十字石、电气石构成的结晶粒岩和石英片岩及大理岩类岩石。大理岩包括含石墨大理岩、金云母大理岩、透辉石大理岩等。上述岩石按传统变质岩石学都归入区域变质岩，实际上这些岩石应属于正常的，未经变质的，地表高温高气压的热水沉积岩。

下元古代基性岩浆火山喷发仍保持一定程度的活跃。地层中夹有角闪片岩、斜长角闪片岩之类的基性火山岩。火山喷发给附近的水盆地带来大量的铁质和硅质。在高温热水中结晶出磁铁矿和石英。磁铁矿属铁磁性物质，磁铁矿晶体按磁场磁力线方向呈有序排列。受水体流动影响磁铁矿可形成波折线排列的条带，形成条带状磁铁石英岩。磁铁石英岩的铁含量往往可以达到工业开采的指标，形成条带状磁铁矿铁矿床。由于铁矿质来源丰富，常形成大型和特大型矿床。条带状磁铁石英岩可作为下元古代地层的标志层。

下元古代构造运动以垂直活动为主，水盆地大幅度沉陷。沉积地层厚度一般可达4000—5000米，直接覆盖在太古代片麻状花岗岩之上。元古代后期，被下元古代地层覆盖的花岗岩，特别是放射性物质含量偏高的钾质花岗岩，在核能的作用下，发生半熔融，呈高热的塑性状态。在地下深处，下元古代地层与半熔融的钾质花岗岩呈混熔渐变的关系接触，发生不同程度的混合岩化作用，形成不同的混合岩，如角砾状混合岩、条带状混合岩、眼球状混合岩、肠状混合岩、阴影混合花岗岩等。

在元古宙超深断裂的分支断裂中，局部可出现来自上地幔的基性超基性岩浆侵入体。按照地球化学特征，一般在镁质基性超基性岩体内可赋存有岩浆型铬铁矿床；在铁质基性超基性岩体内可赋存有岩浆型硫化铜镍矿床；在铁镁质基性岩体内可赋存有岩浆型钒钛磁铁矿床。

二、中元古代中温热水期（同位素地质年龄21亿—16亿年）

中元古代地表温度在300℃—230℃±30℃之间，属中温高气压热水期。

中元古代大气圈中的水蒸气在气温和大气压继续下降的状况下大量凝结成水滴，降落到地面。地球表面的积水较下元古代明显增多，水系不断扩大，出现了广阔的海域。中元古代在地表水中仍含有大量的二氧化碳、硫、磷和卤族元素，地表水属中温酸性热卤水。其中溶解有来自晚太古代风化壳的大量的矿物质。

在水溶液中造岩元素的离子电位的高低影响着水的极化，确定着它们在水溶液中与氧结合的能力。一般说来，元素的离子电位与元素的电价成正比，与元素的离子半径成反比。按照元素的离子电位的高低，可将溶解于地表中温酸性热卤水中的造岩元素划分为以下三类。

（一）酸性（亲氧）元素离子电位偏高

属此类元素有硅和铝。它们在中温酸性热卤水中易与氧结合形成二氧化硅、硅酸根和铝硅酸根。在陆相和滨海相环境它们与钙、镁、亚铁、钠、钾相结合，形成各种不同的硅酸盐和铝硅酸盐矿物，构成各种结晶粒岩和结晶片岩。

（二）基性（过渡）元素离子电位中等

属此类元素有钙、镁、亚铁等。它们在中温酸性热卤水中除了在陆相和滨海区与硅酸根、铝硅酸根相结合，形成硅酸盐和铝硅酸盐矿物外，主要与海水中的碳酸根结合成碳酸盐矿物，构成大理岩。

（三）碱性元素离子电位值低

属此类元素有钠和钾。在中温酸性热卤水中，它们除了参与硅酸根、铝硅酸根结合成硅酸盐和铝硅酸盐矿物外，主要与卤族元素结合，溶解于地表水中。

在中元古代地表中温酸性热卤水中溶解有大量成矿金属元素。它们可按照元素的离子电位值的高低，划分为酸性（亲氧）元素和基性（过渡）元素。属于酸性（亲氧）元素的有U、V、Ti、Cr、W、Sn、Mo等。它们以独立矿物或呈类质同象混入于矿物晶格中分散于结晶粒岩和结晶片岩内。属于基性（过渡）元素的有Pb、Zn、Ag、Hg、Sb等，它们除了呈类质同象混入矿物晶格中，分散于结晶粒岩和片岩内，主要呈类质同象分散于大理岩的碳酸盐矿物中。这些分散在结晶粒岩、结晶片岩和大理岩中的成矿金属元素在以后的岩浆构造运动中可成为热液改造型矿床的矿质来源。

从太古宙风化带淋滤溶解于水中的成岩元素和成矿金属元素聚集在不同类型的沉积岩中。元素重分配的自然过程，不仅体现于中元古代的沉积层，也适合于整个元古宙的沉积层。

中元古代地层属中温酸性热卤水沉积。很少见有砾岩。陆相沉积以中温化学结晶沉淀和伴有细粒碎屑沉积的片岩类岩石为主，包括绿帘石二云片岩、绢云母千枚岩、绢云母片岩、绢云母石英片岩、石英片岩、粉砂岩、细砂岩等。海相沉积通常由滨海相千枚岩夹多层厚度不等的大理岩，过渡为海相大理岩。海相大理岩，包括白云质大理岩、透闪石大理岩、碳质条带大理岩及硅质条带大理岩。在白云质大理岩和千枚岩互层带中局部夹有菱铁矿层。

中元古代地层，以大理岩为主，粉砂岩、砂岩次之。总厚度可达万米。

在铜丰度值偏高的地球化学区，中元古代的地表径流可以成为含铜的酸性热卤水，当河水流入海湾的三角洲时，由于河水和海水的氧化—还原物理化学环境的改变，在红色的砂岩与杂色砂岩互层中的绿色粉砂岩内常含有浸染状铜的硫化物矿物，富集地段可形成含铜砂岩型铜矿床。

在中元古代地层中常夹有基性火山熔岩及其碎屑岩，局部保存有火山机构。在海相基性火山岩中有时夹有块状硫化物型铜矿床与多金属矿床。

三、上元古代低温热水期（同位素地质年龄16亿—11亿年）

上元古代地表温度已降低到230℃—160℃±30℃之间，属中—低温热水期。

随着大气温度的降低，大气圈中的水蒸气含量逐渐减少，地表水比中元古代明显增加，水系更加发育，水域面积不断扩大。海水加深，含盐度不断增高。

上元古代地表水属低温酸性热卤水。在陆相和滨海相沉积层中结晶粒岩已少见。河水携带有大量的岩石碎屑，包括砾石、沙和黏土。沉积地层主要为杂色页岩、粉砂岩、长石石英砂岩及砾岩。在黑色页岩和粉砂岩互层中局部夹有含鲕状绿泥石的菱铁矿赤铁矿层。在碳质页岩中可见到微古生物化石，海相地层多为中细粒结晶灰岩。

晚太古代片麻状花岗岩中的含金绿岩带，在后期下、中元古代地下热水的作用下，往往形成热液改造型含金石英脉金矿床。在该类型含矿区附近的上元古代地层中会出现具有重要经济价值的含金砾岩或其他含金岩系。

上元古代地层厚度可达7000米。

四、震旦亚代过渡期（同位素地质年龄11亿—5.7亿年）

震旦亚代地表温度在160℃—常温之间，属低温热水期。

震旦亚代大气成分以二氧化碳和氮为主，硫、磷和卤族元素的含量很低。河水属于碳酸质水。河水中溶解有钠、钙、镁、铁、锰和铅、锌等矿质元素。河床中携带有大量的岩石碎屑和泥沙。陆相沉积主要为砂岩、页岩和砾岩，局部出现有冰碛层。河水中溶解的NaCl归入大海。海相沉积为白云质大理岩、叠层石硅质条带大理岩、藻灰岩等，局部大理岩层可成为多金属矿床的矿源层。

震旦亚代火山活动减弱。在火山活动地区地表水温度偏高，局部出现与凝灰质碎屑岩有关的铁锰矿层。

震旦亚代地层厚度可达5000米。

震旦亚代末，天气晴朗，大气圈中的水蒸气聚集的云层大部消失，阳光可以直射地面。地球表面已经基本上具有相当于现在水系的水量。地面水的蒸发，云层的飘移和降雨所需要的能量开始靠太阳能调节。地球表面气温按纬度分带，出现南、北极低温带，适宜生物成长的温带和热带。

生命的起源是宇宙演化史上的重大事件之一。生物是由非生物演化而来的。最简单的有机化合物是甲烷CH4。在地球演化史中已知最早出现的微生物是生活在元古代条带状磁铁矿层的氧化壳富铁矿中的铁杆菌。原生的条带状铁矿矿石品位低，而氧化壳富铁矿的铁含量一般可达到60%—70%，元古代大气圈中富含二氧化碳，含氧量很低，不利于铁的纯化学氧化作用。风化壳铁矿中的赤铁矿的形成主要依靠铁杆菌内的酶的催化作用，把可溶性铁氧化成不溶性的三氧化二铁。

世界上有许多国家在条带状磁铁矿层风化壳富铁矿中发现有铁杆菌化石。据徐仁称，铁杆菌属无细胞核的单细胞生物，直径只有几微米到几十微米，在显微镜下才能发现。铁杆菌呈细长的杆状。外部包裹有一层薄的铁质皮鞘。铁杆菌吸收风化壳上部被淋滤下的可溶性铁和大气中的二氧化碳，分泌出不溶性的三氧化二铁，在体外形成铁质皮鞘。铁杆菌在成长过程中可伸出体外脱离原来的皮鞘重建新的皮鞘。脱落的皮鞘聚集的三氧化二铁，能提高矿石品位，使贫铁矿变为富铁矿。

元古宙常见的化石还有叠层石。它们群体生活在深水中，吸取可溶性硅，分泌出不溶性二氧化硅形成皮鞘，脱落的硅质皮鞘连生体，构成叠层石燧石条带。

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