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关于我

笔名探矿者—一个立志执着于探索自然和学术的“打工者”。1962年5月生,福建人,1982年毕业于成都地质学院找矿系,地质调查专业 工学学士 高级工程师。长期从事地质调查、矿产勘查以及矿床学和矿床地球化学研究。在该职业生涯中,积累了三十多年来的地质勘查和找矿经验,脚踏实地一步一个脚印一路走来,具有丰富的工作经验,认识了矿产资源在地壳中的成矿机理,掌握了构造控矿因素与成矿地质规律对找矿预测的意义。本人的专长是既懂理论研究、也精通矿产勘查,善于将两者紧密结合,因而有关成果受到各地政府的关注及业内专家的高度肯定。

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以生命过程的理念认识地质年代  

2012-04-08 09:12:46|  分类: 地质学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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以生命过程的理念认识地质年代 - 探矿者           - Prospector blog

编辑:探矿者 以生命过程的理念认识地质年代 - 探矿者           - Prospector blog

 原文地址:以生命过程的理念认识地质年代

           地质年代的研究是以大跨度时空范围来探讨地球的演化过程,它应当明确地球地质和地球生命的发展过程。任何事物的过程都是事物的诞生,进化发展以及成熟衰老后的终极衰亡,一个人有其童年、中年和老年的发育过程,地球总体也有其诞生、童年、中年和老年的发育过程,作为大跨度时空范围的地质年代应当反映事物全过程的理念。然而,至今的地质年代却把地球诞生的年幼阶段称为冥古代、太古代等古老的年代,把已经成熟或是衰老的近代却称做新生代。这种地质年代的名称与地球由幼年到中年再到老年的客观过程呈现着倒置状态。今天的科学与哲学告诉我们,宇宙万物包括恒星、行星、巨大的星云和生命的总体的演化都必然是服从事物的诞生、发展到衰亡的过程。然而至今在生物学、生态学、地质学和社会学的研究都在很大程度上没有体现这种过程的理念。人们是仅仅从进化和进步这个狭窄的视野思维,而缺乏生命全过程的综合思维。今日的科学已经得到极大的发展,尤其是在地球科学的研究上有许多新的突破,为修订和认识地质年代的过程提供了大量的资料。这些资料不仅可以反映地球过去的演化过程,甚至可以看出未来的发展演化趋势。

       地质年代在多数的场合是以生物化石为依据来反映地球相对年龄的,按化石出现先后次序来排列,可呈现出生物不同类型的演化和地球的相对年龄。然而,地质年代不应仅仅反映生物类型的演化,它还应当反映地球环境的变迁和地质的演化过程。在研究地质的演化时需要了解不同地质时期的内在联系,需要找到不同地质时期物质的变迁演化的主因和主轴,否则不同的地质时期的存在就是割裂的、孤立的,看不到前因后果的变迁联系。根据长期的地球化学的研究,地球物质唯一的一项持续性前进演化变迁就是由还原性物质到氧化性的物质的演化。作为还原剂的氢,从地球形成之日起就一直从大气高层持续地逃逸着,在长期的地史中逃逸的氢是由植物光合作用裂解水,形成有机质再进而转化而产生的。氢的逃逸必然导致植物裂解水而产生的氧持续地增加和大量地球水分的丧失。这种一脉相承地持续性前进演化,决定了地球物质环境必然是由还原性到氧化性再到过氧化的变迁,围绕这种演化涉及到生物演化和环境演化的方方面面。所以可以以物质氧化性的增强为主轴,来讨论地质年代的变迁和生命的演化过程。

一、地质的沉积有其确定的演化方向

       在太阳系的木星、土星等外行星富含大量氢气,但在内行星的水星、金星、火星和地球的大气则很少有氢的存在。在远古时期地球等内行星也富含大量的氢,由于距离太阳近,光辐射和太阳风使得大量的游离氢被吹走逃逸掉了。据研究,地球表层物质一度是还原性的,现今的氧化大气是还原氢自大气高层逃逸后形成的结果。计算表明,在地球这样的温度和重力场下,氢和氦能以相当快的速度逃逸,但氧、氮和其它较重原子则不能。地球的逃逸层是从高于地球表面约600公里开始的,逃逸层的温度是如此之高(1500°K),氢一到那里,几乎一定要逃逸。地球氢自古至今一直是持续地逃逸着,只要有化学的和生物的过程产生了游离氢,氢就会自高空的逃逸层逃逸。氢是还原剂,还原剂的丧失必将导致氧化性的增强。植物光合作用产生出来的氧是导致地质物质持续氧化的原因。氧是来自光合作用对水的裂解,微生物可以分解动植物的有机物而产生游离氢,游离氢一旦形成就必然会从大气高层逃逸,于是地球上的氧气就再也不能与这些氢形成水。长期以来逃逸的氢是直接或间接地来自水的分解。氢不断逃逸到太空,地球游离氧就会持续地增加。因此,地球的物质环境必然是由还原性到氧化性再到过氧化的演化。这种氢和氧的持续演化,使得地质过程存在确定的演化方向。

        达尔文曾说:“生物类型在全世界几乎同时发生变化,任何古生物学的发现很少有比这个事实更加动人的了”。“在许多距离很远的气候最不同的地方,象北美洲、赤道地带的南美洲、火地岛、好望角及印度半岛等地,虽然没有一块白垩矿物碎片被发现,但却可以辨别出类似欧洲的白垩层”。“在这些遥远的地点,某些地层内的生物遗骸呈现出和白垩层中的生物遗骸有不会使人错认的类似性”。“在欧洲的白垩层是没有发现的、但在它的上下地层中出现的其他类型,在世界上这些遥远的地点也依同样的次序出现。若干作者在俄国、西欧及北美的若干连续的古生代地层中,也曾见有生物类型的类似的平行现象”。世界各地生物的同步演化,表明地球世界蒙受同一运动的影响。在今天看来,大气有氧环境的增强演化,影响大气、海洋和陆地氧化势的同步提高,造成地层同步沉积,进而使生物同步演化,这大概是原因所在。表现出环境氧化性的增长是影响生命演化的主因和主轴。

        大量的地质学研究表明,原始地层的物质是还原性的,后出现的地层则逐渐地被氧化。因此,原始生成的氧必然消耗于氧化反应而形成氧化物上。例如,在原始状态的岩石中Fe、Mn等变价元素常以低价态存在,由于游离氧的形成使得低价氧化物氧化到高价氧化物,FeO →Fe2O3 、MnO→Mn2O3、S、 H2S→SO2 →SO3 、CH4 →CO2 →CaCO3等。这些产物使得大量形成的游离氧被埋藏沉积在地壳中。在地质历史中海水的化学沉积环境有确定的演化方向,即从地史的早期的强酸性和还原性向地史晚期的弱碱性和强氧化条件演化。一般说来,当海水pH和Eh(氧化还原电位)缓慢升高时,惰性强的元素先以氧化物的形式沉淀,然后是硫化物的沉淀,最后才是各种弱酸盐矿物的沉淀。各元素的氧化物、硫化物沉淀的先后顺序也有确定的规律性:在古代强酸性海水阶段,氧化物沉积的顺序大体为:四价离子的氧化物(SiO2、SnO2、UO2、ThO2、ZrO2、TiO2等)先沉淀,然后是三价离子的氧化物(Fe2O3、Al2O3、Cr2O3等)沉淀;最后才是二价离子氧化物(CuO、ZnO)的沉淀等等。但是这一演化又是随着火山喷发强酸和还原性物质而旋回周期性波动,这造成地质沉积的复杂性。在冥古代和太古代海水的pH在强酸性,CO2不能形成碳酸盐岩沉积。在38亿年前,大气CO2分压大约只有10~15atm左右,到26亿年前大气CO2分压已升高到30~50atm。由于岩石的风化淋滤作用使得海水的强酸性被中和,从26亿年前开始过剩的碱度使大气CO2周期性发生碳酸盐沉积。碳酸岩层沉积的历史一直持续到今天,碳酸盐岩在我国分布十分广泛,在东部地区大面积分布的海相新元古代至三叠纪碳酸盐岩地层的累积厚度超过10公里。CO2的沉积物和沉积岩形成了地球最大的碳库,在沉积物和沉积岩中的无机和有机形式的碳量是所有其它碳库中全部碳量的1800倍。其数量大约是25×1015吨。在学术上认识常常忽略的一点是:在CaCO3中沉积埋藏的氧比埋藏的碳更多。这是地球上生态系统的物质没有被过早地燃烧氧化掉的原因。近年来人们十分关注CO2增多引发的温室效应。CO2在大气中过量累积的原因除了矿物燃料燃烧排放外,大概更为主要的是CO2的沉积埋藏的地质效应降低造成的。

二、原始生物与原始环境

         地球的原始大气没有分子态氧,富含H2、CH4、NH3和CO2,早期的化学进化必然是在无分子氧的大气条件下进行的。经过多次重复的S.L.Miler开创的实验研究,表明从还原性无机物(H2、CO2、CH4、NH3等)能够产生简单的有机化合物。由此,表明远古时期曾发生过化学进化的阶段,这大概是冥古宙的时代。化学进化累积了有机物质,为进一步生命起源提供了基础。第一种诞生出来的微生物必定是在还原条件下营厌氧代谢的发酵性微生物,这些微生物能利用H2或一些发酵产物作为氢供体,利用CO2作为碳源,甲烷细菌是这些早期生命的幸存者。在古细菌中还发现了硫呼吸的厌氧呼吸方式,即在呼吸中元素硫代替了氧,细菌从氢被硫氧化(硫化)产生H2S的过程中获得能量,在古代硫化氢、甲烷、氢等还原物广泛存在于环境中,依靠对这些还原物的生物氧化获得生物能的细菌大概是最初的生命。据化石研究早在35亿年前以古细菌和真细菌为代表的原核生物就存在了。最早的沉积岩年龄为37-38亿年。近年,科学家利用离子微探针对在格陵兰发现的岩石进行分析,发现至少在38.5亿年以前地球上就存在原始生命,因此认为生命的诞生与岩石的开始形成几乎是同时的。后来诞生了以裂解水为电子和氢的共体,这就是产氧的光合作用的蓝细菌(蓝藻),这才逐渐地开创了地球大气的有氧的时代。这为原核生物进化到真核生物提供了条件,由原核生物进化到真核生物是进化史上的重大飞跃,所有真核生物都是好氧生物,表明氧在生命进化中的重要性。在古元古纪出现了弱氧化的环境,使原核生物进化到真核生物。

         大气氧含量的增加是生命进化中一个稳定持续演变的机制,在地史中氧气无时不在制约着动植物的演化。植物向陆地迁移的先决条件是形成对紫外线辐射的臭氧层屏蔽,一个有效的臭氧层屏蔽的形成只有在大气中氧气水平达到现在的0.1时才有可能,陆地植物的迁移不可能早于这个界限而生活在陆地。这是植物走向陆地的外部条件。植物形成角质可以部分抵御紫外线的杀伤,角质是一种复杂的高碳脂肪性化合物,为C16和C18的羟基脂肪酸,合成角质高碳脂肪性化合物只有在达到现在大气中0.002氧气分压水平下才能完成。陆地生命的顶极群落是以高大木本植物为主体森林,然而木素的合成也是高度依赖氧气的。大气中氧气的分压需要达到现在的0.02的氧气分压水平才有可能。

         有研究,石炭纪空气中氧的含量高达35%,石炭纪昆虫、蜘蛛、蝎子和蜈蚣都发展成极大体型,这被认为是大气具有高氧含量有关。后来在一亿年前的白垩纪氧的含量降到了25%,到了今天这一数字降低到了21%。这些研究与氧的持续性的增长的认识并不矛盾,这是因为形成的大量氧逐渐消耗于地壳及大气中物质的氧化,金属元素在氧化中形成碱性氧化物(Na2O、K2O、MgO等),非金属元素在氧化中形成酸性氧化物(CO2、SO2、SO3、NO2等),酸碱氧化物在水中形成盐,这是海洋形成大量盐分以及碳酸盐岩沉积的原因

三、地质年代概况和修订

          覆盖在原始地壳上的地层,一般来说,先形成的地层在下,后形成的地层在上,它是一部地球几十亿年演变发展留下的 “历史大书”。人们知道,在不同时代的地层中含有不同的化石,同样,我们得到了这些化石也就可以推断出产生这些化石的地层年代。以生物演化为依据,人们建立了能反映地球相对年龄的地质年代表。在太古代只有原核生物,细菌和蓝藻是最早出现的有细胞结构的原核生物,它们生存在原始海洋中。后来经过10亿到20亿年的漫长时间,到了元古代才进化为真核生物,太古代和元古代应当是生命的婴儿时代。由于海洋藻类大量繁衍,海水含氧量增加。大气与海洋含氧量的增加不会是均一地持续过程,这需要一种还原物质被彻底氧化之后才导致含氧量上升一个台阶。这种飞跃式的氧增长,大概导致了寒武纪动物的种类爆炸性出现从寒武纪到泥盆纪动植物有了基本的发展,是生命世界的少儿时代。可把这时的古生代称作生命世界的少生代。生物对于环境中的含氧量有一个最适宜的度,氧化势过高将导致物质的燃烧分解或是导致生物和微生物对有机质过量地呼吸分解;氧化势过低,生物的能量获得率低,生物的代谢水平低。在石炭纪的时候,生物的环境具有了较高的氧气的供给,然而环境的氧化势还没有增高到造成有机物的燃烧和生物和微生物的过量好氧呼吸的氧化分解,以及大型动物的取食分解,于是在石炭纪形成了茂密高大的森林,使得有机质过度累积,而很少分解矿化,导致了气势宏伟的造煤运动。据统计,属于石炭纪的煤炭储量约占全球总储量的50%以上。

        在生命的进化中,由小体型到大体型的变化是重要的进化方式,由原核生物进化到真核生物其体型大了许多倍,由单细胞生物进化到多细胞生物其体型又大了许多倍。在某一类生物的进化演化中,又常常出现一个大体型的顶峰,过了这个大体型的顶峰,这类生物的体型就衰退下来,体型变小。在石炭纪和二叠纪许多昆虫的体型进化达到了巨大的体型,三亿年前的蜻蜓化石,其双翅展开长达95cm,。在2.96亿年前多足纲千足虫化石大约有2.3m长,0.5m宽。它的后裔是今天的蜈蚣,其体型都已经大大地衰退了。在这个时期植物也极为繁盛,有30m高的蕨类植物,形成宏伟的造煤运动。原有地质年代的古生代的意思是古老生命的时代,把这个时代标订在寒武纪到二叠纪的过程。然而,在石炭纪和二叠纪已经是生物发展进入到一定的繁盛时期了,应当不再属于是古老生命了,因此,这里把石炭纪和二叠纪从地质年代的古生代中取出放在代表生命繁盛的中生代中。

        在中生代植物繁茂,动物的体形得以进化到最大体型的顶峰,巨大的恐龙曾经称霸一时。在白垩纪的后期巨大的恐龙灭绝,只留下小体型的恐龙后裔的鸟类。从此之后陆地动物就失去了再次进化成如此大体型的环境条件。到新生代被子植物发展,草本植物加速演化,木本植物的森林发展到顶极群落后又走向了衰落。各种食草、食肉的哺乳动物空前繁盛。到二、三百万年前森林逐渐衰落,林间草地面积扩大,荒漠化形成并扩展,此时类人猿被逼下树直立行走,适应平地生活,演化成人类。所以人类是在地球生态环境已经走向衰落中诞生和发展的。顶极森林生态系统破坏后,群落的生物量逐渐减少,有机质生物量的合成逐渐地小于分解,土壤走向贫瘠化和荒漠化。这时的生态环境已经与大量累积埋藏有机质的石炭纪形成了否定的颠覆性变化。

        早期地史的研究,限于当时的认识水平,只把地球历史的发展划分为原始纪、第二纪和第三纪。后来,人们对地球发展历史的认识的深度和广度都有了极大发展,原始纪和第二纪便废弃不用了,第三纪和后来建立的第四纪一起,共同组成了地球历史的新生代。生命的真实过程是由生命的诞生到发展繁盛,再到衰退、衰亡的过程。今天生命(地球生命群落总体)已经从生物量最大,物种最为繁多的生态环境最优的顶极群落(原生森林、黑钙土草原、海洋珊瑚礁等)上衰落下来。把经过几十亿年演化已经衰退的今天的生命总体称作新生代,且在未来不管有多少变迁,不管经过了多少亿年的演化,永远称为新生代,显然含义不妥。且第三纪与第四纪只是数字排列,没有表现出实质内容。所以本文建议把新生代改名为生衰代,把第三纪与第四纪废弃不用,把原第三纪改名为人前纪。把第四纪改名为人生纪。并把迅速改变地球面貌的近300年来的工业化时期分离出来,称做人主纪。于是生衰代包括了人前纪、人生纪和人主纪。

         衡量生命总体的诞生、发展繁盛到衰退、衰亡的阶段过程,不应当以某一种生物(包括人类在内)为标准,而是应当以包括生态环境在内的生态系统和生物群落这种大尺度为标准来研究生命的演化过程,生物群落是从地衣群落→苔藓群落→草本群落再过渡到木本群落的大森林的顶极群落。自然界生态系统演化的最繁盛的生物群落是顶极群落,森林就是这种顶极群落,它崇高博大、巍巍壮观,是最复杂、最繁盛、物种多样性最高、生物量最大的生态系统。在顶极群落中生命与环境高度协调,植物有机质的合成与动物与微生物消费分解构成通畅的物质循环。然而,生物群落并非停止在顶极群落不再演化,此后的演化是从顶极群落上衰退下来,形成农田、草原等生产量低的生态系统。生态系统的发展之所以具有顶极群落,是因为地球环境演化达到最佳的氧化还原条件。在此之前环境还原性强,生物有机质的还原累积大于氧化分解,呈现出煤炭、石油的埋藏;在此之后生物有机质的氧化分解大于合成,生物群落逐渐衰退;而在顶极群落的时候,合成与分解的物质循环平衡,植物从有机质的分解矿化中获得最丰富的营养,动物与微生物也获得了最丰富的植物有机质营养。禾本科草原、艾蒿草原和艾蒿雏菊草原出现于第三纪,第四纪时繁盛。禾本科草类主导了黑钙土的形成,禾本科和豆科植物所需要的营养比藓类、地衣、针叶树、阔叶树都要多,在黑钙土形成的草甸草原上每年产生大量有机质,它们分解后形成有机质腐殖质也最肥沃;后来艾蒿草原和艾蒿雏菊草原主导了栗钙土和棕钙土的形成,根据威廉斯统一的土壤形成过程学说,栗钙土和棕钙土是黑钙土退化的过程。

        当今世界每年都发生着规模宏大的森林火灾,其面积之大,燃烧时间之长越来越令人们惊恐。近代地下水位下降,氧气逐渐地透入地下。导致全球数千煤田遭大火侵袭。煤田火灾在美国、印度、澳大利亚、印度尼西亚、俄罗斯及中亚等国家和地区都有发生,中国地下火灾每年燃烧的煤约达两亿吨。大火释放的二氧化碳相当于美国所有公路交通工具每年排放的总量,即等于全球矿物燃料燃烧排放二氧化碳总量的2%到3%。更为严重的大概是那些不冒烟起火的有机质的分解氧化,这就是土壤微生物对土壤有机质腐殖质氧化的呼吸分解,它正导致大面积土壤荒漠化、贫瘠化。在进化中人类成为高智能生物后,不仅没有改变人类在生态系统中的消费者的地位,且随着智能的发展更加强了对自然资源的消费和对最优生态环境的破坏,人类不仅仍然像古人类那样消费着森林和草原的资源,且还把在生命历史上累积下来的生物量——煤炭和石油拿来消费,这些是工业化以来环境骤然恶化和资源枯竭的主要原因。             

地质年代表的修订

  地质时代

距今年(亿)

     

        植物

 

动物

 

地质现象和生态环境

 

 

 

 

 

新生代

人主纪

现今-前300(年)

原生森林等植物群落迅速萎缩减少,农田作物,草原和人工林扩展。动植物多样性骤减

生态系统以消费者人类为主体,人类工业化,城市化和交通网络化等活动极大地改变着地质和地貌,使完整的生态系统割裂为有机质消费的城市和有机质生产的农田和草原牧场。

自然界进入过氧化状态,环境迅速恶化。森林、煤田频繁地发生火灾。水资源枯竭,大地干旱。森林、湿地、珊瑚礁急速减少,荒漠化急速发展。自然界总体的生物有机质的分解大于合成与累积。

人生纪

300(年)-0.002

被子植物繁盛,森林面积萎缩,草原和农田作物逐步取代原生森林

哺乳动物的属、种演化显著、数量激增,人类出现并发展

人类的采集狩猎和农业社会时期,环境逐步恶化。大气氧含量为21%

人前纪(第三纪)

 

0.002-0.65

被子植物繁盛,裸子植物和蕨类退居次要地位,森林开始衰落,禾本科和艾蒿草原出现并发展

哺乳类辐射发展,迅速占领了海洋、陆地和天空,鸟类兴盛,灵掌类和类人猿出现并发展

植物组分复杂,呈现出明显的植物地带性,形成黑钙土、栗钙土和棕钙土,荒漠化开始和扩展,气候逐渐干旱。

 

 

 

 

 

 

白垩纪

0.65-1.35

形成以木本植物为主体的森林顶极群落

大体型恐龙逐渐灭绝,恐龙的后裔鸟类和哺乳类兴起,

气候逐渐干燥,形成灰白色地层的碳酸钙沉积。大气氧含量是25%

侏罗纪

 

1.35-2.08

被子植物出现,繁盛的裸子植物和蕨类混生成高大茂密的植被

爬行动物繁盛、占领了陆地、海洋和天空,大体型的恐龙发展

气候温暖湿润,全球没有热、温、寒带之分,此时期仍然是一个造煤时期

三叠纪

 

2.08-2.50

裸子植物继续占优势,真蕨和木贼逐步繁盛,     

爬行类向各个方向分化,种类繁多,出现蛙,蟾蜍,原始哺乳类出现,

气候温和,地层由页岩、石灰岩、和红色岩层三个层次组成,是造煤时期

二叠纪

 

2.50-2.90

裸子植物发展,钙藻和海绵动物大量繁殖,是重要的成礁期,

爬行类兴起,三叶虫绝迹,出现巨大蜻蜓和巨大的千足虫,形成多样性的昆虫,

植物繁盛,使之成为又一个造煤时期,空气氧含量是当今氧气含量的50%

石炭纪

 

2.9-3.55

是植物的大繁盛时期,形成高大茂密的孢子植物森林,蕨类繁盛,裸子植物兴起,

两栖类繁盛,原始爬行类出现,昆虫逐步繁盛

重要的造煤时期,形成的煤炭约占总储量的50%以上,有研究,石炭纪空气中氧的含量高达35%

 

 

少生代

︵古生代

泥盆纪

3.55-4.1

植物有了根、茎、叶的分化,裸蕨发展,出现真蕨、石松和地衣

鱼类极盛,门类齐全。出现原始无翅昆虫,动物走上陆地,两栖类出现

出现广大陆地,鱼类生活在淡水或滨海的半咸水中

志留纪

4.1-4.39

低等植物登上陆地的舞台

原始鱼类出现,三叶虫和腕足类繁盛,出现了较多种类的珊瑚

陆地逐步扩大

奥陶纪

4.9-5.1

藻类繁盛,苔藓出现

海生无脊椎动物种类繁多,头足类的鹦鹉螺和礁石到处都有其踪迹

发现古土壤

寒武纪

5.1-5.7

藻类繁盛

三叶虫繁盛,动物门类从3-5个猛增至30多个,被称为是寒武纪生命大爆炸

逐渐形成氧化性海水,随着大气氧的增加,形成部分臭氧层屏蔽。

婴生代︵

元古代︶

新元古纪

5.7-10.0

藻类发展,在距今约6亿年前,地衣开始改造地球的陆地,坚硬的岩石开始向着土壤转化。氧增加到现在的7%,在空气稀薄光辐射强烈的平流层出现臭氧屏蔽。

中元古纪

10.1-16.0

藻类发展,以CaCO3为主的沉积增大,在20亿年前~7亿年是蓝藻等原核生物沉积生成叠层石最繁盛的时期,叠层石是,是变质的碳酸盐沉积。大气中氧增加到现在的1%  

古元古纪

16.0-25.0

蓝细菌(蓝藻)发展,出现真核生物和多细胞的褐藻,海水逐渐转化为弱氧化性

太古代

 

25.0-40.0

稠密C02气圈,强酸性—还原性水圈,最早的沉积岩在37-38亿年形成,由化学进化到生命起源,出现细菌和蓝藻,形成光合作用,是铁矿形成的重要时代,大气无分子氧

冥古代  

40.0-46.0

地壳与地幔分异,无水圈,稠密的火山气圈

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