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地球演化历史上的超级事件，有哪些？

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2年前
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内容来源: 世界地球之旅

正文开始

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一、概述

超级事件可以定义为，涉及整个地球行星尺度、对地球演化轨迹造成重大改变，并涉及不同地球圈层发生深刻改变的重大地质-天文事件。超级事件的发生是地球演化的重要特征，涉及不同圈层之间的耦合变化，具有较长的持续时间（几千万年到上亿年）以及地球系统的深刻变革，这些事件可能是渐变的或突变的，也可能是由一系列的天文-地质-生物事件共同组成，其发生的根本原因在于不同层圈之间能量和物质的大规模运移和转化。本文初步梳理出地球形成及其演化历史上的九大超级事件,谬误难免，敬请批评！

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二、白垩纪大洋盆地扩展与磁场稳定 早白垩世冈瓦纳大陆的破裂，导致非洲板块和南美洲板块分离(Torsvik et al., 2009; Lundin et al., 2003)，由南至北呈拉链式张开，南大西洋不断变宽，板块的不断增生一直至今(Ceraldi, 2016; Pérez-Díaz et al., 2014)。白垩纪全球重要板块运动主要包括冈瓦纳的加速裂解、环太平洋板块的俯冲和特提斯构造域的发育。从白垩纪（120~80 Ma之间）开始全球板块出现大规模的纬向运动，包括南、北大西洋的持续扩张，太平洋周缘俯冲带东、西两侧持续后退、洋盆不断缩小，冈瓦纳大陆北缘的俯冲带持续向西南后退(Burke et al.，2008；Heine et al., 2008; Seton et al., 2012)。古板块继续裂解对古气候、古海洋也有较大影响，白垩纪古气候、古海洋对烃源岩的生成起到促进作用。白垩纪洋壳数量急速增加并达到顶峰，伴随太平洋洋底高原发育，洋中脊洋壳的突发增长脉冲，与地磁场极性正超时(124~83 Ma)在时间上具有同步性。此时，核幔边界“超级地幔柱”通过在太平洋洋盆内产生火山喷发。白垩纪突发性洋壳快速生长的脉冲事件，与来自核幔边界的超级地幔热柱的形成有密切联系。白垩纪大岩浆岩省（LIPs）主要集中于大洋区，对应该时期南半球超级地幔热柱大量形成，同时北半球超级冷地幔下降流导致大陆内部许多岩浆岩省的消失。

白垩纪全球古板块再造图（板块再造120Ma）

（李江海等，2013）

白垩纪全球古地理环境恢复图（板块再造120Ma）

（李江海，2013）白垩纪全球处于高温环境，热带主要集中在非洲北部和南美部分地区，非洲中南部出现大范围干旱带。海底火山作用是引起白垩纪温度持续变高的主要原因，海底火山释放大量SO₂导致海水酸化并使得碳酸盐岩发生溶解加剧气候变暖(Immenhauser, 1999)，大片被海水淹没的陆地快速广泛沉积富粘土沉积物，此时海洋为一高温水体，其浮游植物丰度、平均水温、海平面高度等达到显生宙之最，气候炎热的赤道区域蒸发强烈，赤道及低纬度出现大面积干旱—半干旱区域，中白垩世全球极热气候出现和结束的时间不尽一致，但总体上分布在赛诺曼—土仑期，局部地区如赤道太平洋早可以在阿尔必期，南极地区晚可推迟到晚白垩世坎潘早期，另一方面由于海底热液活动的增强，导致海洋原始生产力的增加(Forster et al.,2007)。

晚白垩世古地理图（80Ma）

a. 古大陆重建，b. 板块构造重建，c. 古地理重建，d. 古气候重建，e. 古海洋重建

（Mitchell et al.,2021）大陆洪水降低地球反照率，也是导致全球变暖的原因。在高海平面时期，基岩暴露面积减少，火成岩和变质岩的化学风化作用减少，钙离子向海洋的输入量减少。在这些高海平面时期，二氧化碳消耗减少，随后温室气体的增加使地球变暖（Mitchell et al.,2021）。

中生代以来古气温随时间变化图

温暖时间期为暖色;寒冷时期为冷色。灰色实线是全球平均气温。大型永久冰盖的温度低于18摄氏度;没有任何大型永久冰盖的温度超过18摄氏度。

白垩纪海平面高海拔较高；相对狭窄、年轻的海洋盆地将泛大陆大陆的碎块分开;没有广阔的高山山脉。森诺曼阶-土仑阶（93Ma，约200m）和阿普第阶（120Ma，约100m）两个时期的海平面，高于中生代和新生代的其他时间，大约有33%的大陆被海水淹没（Mitchell et al.,2021）。

白垩纪陆地上的恐龙霸主

（图片据互联网） 6600万年前的白垩纪末期，17%的科、50%的属和75%的物种灭绝。这次大灭绝导致恐龙整体灭绝和哺乳动物崛起。在海洋里，除海龟以外的所有海洋爬行动物、菊石都消失了；在陆地上，非鸟恐龙全部灭绝了。地球历史由此进入哺乳动物时代。鸟类是唯一还活着的恐龙，但它们未能像祖先一样成为地球的霸主。这次生物大灭绝可能和小行星撞击地球、超级火山爆发有关。白垩纪末期，一颗直径几十公里的小行星撞击到今墨西哥尤卡坦半岛处，导致希克苏鲁伯陨石坑形成，撞击坑半径有150公里。这次撞击产生的尘埃遮天蔽日，全球气温急剧下降，地球连续几年，有的地方甚至十几年都见不到阳光，全球生态系统崩溃，足以导致植物枯萎，海洋藻类和陆地森林逐渐死亡，食物链的基础环节破坏，许多动物死于饥饿，包括恐龙。整个食物链崩溃，大型动物纷纷饿死，也为哺乳动物出现打开大门。

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三、二叠纪末期泛大陆形成、超级地幔柱启动及生物大灭绝 1921年，魏格纳在大陆漂移假说中首次提出泛大陆（Pangea）这一重要的地质概念，认为，在3亿年前，大西洋两岸的南、北美大陆和欧洲、非洲大陆紧密相连，印度和澳大利亚也与其相连，当时实际上只有一块大陆，称为泛大陆。

二叠纪（约260Ma）古地理和古气候带恢复图

（李江海等，2013）泛大陆330Ma开始逐渐聚合，形成于劳伦大陆、波罗的、西伯利亚、冈瓦纳等大陆持续向北纬地区运动过程中。其中，西伯利亚在晚古生代还持续发生顺时针转动（Smethurst et al., 1998）。泛大陆聚合过程中，全球所有板块并未同时聚合，柴达木地体、昆仑地体、华北陆块等分布在泛大陆的边缘。晚二叠（约250Ma）泛大陆规模达到最大，东缘出现新的洋壳（Torsvik，2002）。在泛大陆聚合过程中，南美板块、西伯利亚板块、波罗的板块、澳大利亚板块、塔里木陆块、华北陆块等在古生代的运动轨迹，总体上具有顺时针旋转趋势，多个板块呈顺时针的漩涡式运动聚合。上述聚合过程中，板块汇聚中心在现在的中亚地区。

泛大陆晚古生代聚合过程中不同板块和陆块运动轨迹示意图

（李江海等，2016）

(摩尔维特式投影；Kaz代表哈萨克斯坦板块，T代表塔里木陆块；图中箭头指示板块运动趋势，标有不同数值的板块形态指示其当时的位置，虚线圆圈指示板块汇聚中心)

二叠纪泛大陆（约260Ma）再造图

（李江海等，2014) 二叠纪时，随着泛大陆的形成，全球自然环境迅速变化，促进生物界大变革。植物气候分带和地理分区与石炭纪相似，除由石炭纪延续下来的石松类、有节类、真蕨类、种子蕨外，二叠纪后期出现松柏、苏铁等植物，开始出现中生代植物面貌。与植物密切相关的昆虫类有了新发展，与石炭纪巨大而单纯的昆虫群不同，形体变小、种属增多。两栖类动物仍很繁盛，主要分布在华力西－阿巴拉契亚造山带间。同时，出现原始爬行类。海生无脊椎动物以珊瑚、腕足类和菊石类最重要。其中，早二叠世，珊瑚、腕足类和菊石类主要分布在1）泛大陆西缘（北美和南美洲板块）的浅海环境中；2）劳亚大陆内部（波罗的板块）的浅海环境中；3）劳亚大陆北部（西伯利亚板块）的浅海环境中；4）特提斯周缘的浅海环境中。海百合和苔藓虫十分繁盛。

二叠纪全球典型古生物分布图

（李江海等，2013）

三叠纪全球典型古生物分布图

（李江海等，2013）距今2.58至2.52亿年前的二叠纪末期，地球上57%的生物科、83%的属和90-96%的物种灭绝，其中海洋动物灭绝96%，陆地动物灭绝70%，是有史以来已知规模最大的一次生物灭绝事件。这次事件导致海洋近3亿年的主要生物数量减少和消失，无脊椎动物三叶虫、造礁生物、海蕾和纺锤虫惨遭灭门；其他生物种类锐减，包括海百合、腕足动物；只有少数生物受影响较小，如双壳贝类。陆地上，超过四分之三的脊椎动物消失，陆生蕨类、蜥蜴、两栖动物和兽脚类急剧减少。海洋和陆地的无脊椎动物都遭到了灭顶之灾。这场规模极大的大灭绝，对脊椎动物的影响实际较小，很多种类的海洋鱼类幸存。对四足动物的最大影响是导致陆地生态系统从合弓动物（哺乳动物的祖先）主导，改变为蜥形动物（爬行动物，包括恐龙）主导。此后，迎来爬行动物的大发展，统治地球长达1.6亿年的巨大生物恐龙开始出现。

二叠纪末期（250Ma）生物大灭绝

（据互联网资料）泛大陆形成造成全球海平面下降和大陆漂移，使很多生物失去生存空间，滨海区域缩小，另外，大气层中氧气急剧减少，板块运动造成气候突变、导致沙漠范围扩大和大规模火山爆发等现象,如西伯利亚超级火山爆发，造成温室效应、酸雨频发和海洋缺氧。也有观点认为这次生物大灭绝可能和超新星爆发产生的伽马射线暴照射地球有关，这一时期大气层中臭氧和氧气减少，可能就由于宇宙射线照射造成。

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四、寒武纪生命大爆发 1.冈瓦纳大陆与其他大陆寒武纪全球陆块主要分为冈瓦纳超大陆、劳伦古陆、波罗的和西伯利亚等。冈瓦纳超大陆由众多陆块汇聚而成，主要包括非洲、南美、阿拉伯、东南极、印度、马达加斯加、澳洲和塔里木等（Torsvik et al., 2012）。其边缘分布有阿瓦隆尼亚（Avalonia）等小地体。将多个古克拉通联合起来形成冈瓦纳大陆的造山运动始于晚新元古代（约570Ma），但一直持续到寒武纪，在中寒武纪以前基本结束。其中，最具代表性的主要的是泛非造山运动，涉及非洲大陆的大部分地区。克拉通上覆有不同程度的浅海陆架，其变化迅速，部分原因是海平面升降变化，但更主要的原因是不同地区的局部构造（Torsvik et al.,2017）。劳伦古陆主要包括北美和格陵兰。南极位于西北非陆块之上。全球陆块寒武纪主要集中于南半球，北部为泛大洋。劳伦和波罗的之间为亚皮特斯洋（Iapetus），于600-580Ma开始张开,其宽度可达 3000km 。普雷奥尼克洋（Pleionic）张开于西伯利亚和波罗的之间。冈瓦纳超大陆西缘的阿瓦隆尼亚地体，包括北美东部、纽芬兰、爱尔兰东南、英国、威尔士、比利时、荷兰和德国西北部，早奥陶世从冈瓦纳超大陆中裂离出来，并向波罗的斜向俯冲，与波罗的之间为通奎斯特洋（Tornquist）（Dalziel, 1997），其与冈瓦纳超大陆间发生裂谷作用，早奥陶世形成古莱茵洋（Rheic）(Von Raumer et al., 2008)。

冈瓦纳大陆轮廓恢复图(750-550Ma)

(据Craig et al., 2009) 寒武纪陆架浅海沿冈瓦纳边缘和克拉通上空连续沉积的岩石产出许多三叶虫，丰富的底栖聚合三叶虫在全球范围内被分为三类，分别称为Redlichiid、Olenellid、和 Bigotinid 。所有冈瓦纳大陆低纬度部分都在 Redlichiid区域内，而 bigotinids 在高纬度地区，Olenellid 区域则以劳伦大陆为中心，几乎完全是热带地区。澳大利亚中纬度Redlichiid三叶虫比欧洲的三叶虫种类更多，并且在整个寒武纪的各个浅海盆地之间变化。相比之下，海绵状的古杯类生物更具世界性，它们的属在澳大利亚和劳伦大陆之间大致具有可比性，腕足类也是如此。早寒武纪劳伦大陆没有任何重大的构造活动，横跨赤道，距冈瓦纳有些距离。从晚新元古代到志留纪，加拿大北部一直存在劳伦大陆被动边缘，并向东延伸至北格陵兰岛。劳伦克拉通陆架边缘保存着世界上最著名的保存异常完好的化石沉积物(Lagerstätten)，加拿大不列颠哥伦比亚省的伯吉斯页岩（Burgess Shale）中出产了大量中寒武世动物。大部分克拉通是在寒武纪的不同时期被洪水淹没，相对较小的海平面变化导致大规模的海侵和海退，并引起新进化的近海三叶虫物种。西伯利亚也与劳伦大陆有一定距离，但位于相对较低纬度。新元古代(当时称为里菲期Riphean和文德期Vendian)晚期沉积物和寒武纪早期沉积物之间几乎没有间断过沉积，形成的岩石至今仍是平坦的、未变质的。伴随的温暖气候促进了生物物种的形成，西伯利亚克拉通寒武纪以其化石的多样性和保存完好而闻名，特别是在寒武纪底部附近生物亲和性不确定的小雪莱化石。另一个显著特征是克拉通上和周围的古生物礁数量，主要是早寒武纪（阿达巴阶）；当时的西伯利亚北部似乎有一个庞大的寒武系陆块，相邻的阿尔泰-萨彦和蒙古西伯利亚周边地体在其构造活动边缘附近可能有大量的山地和高地。

寒武纪（520Ma）全球古板块分布图

（李江海等，2013）

陆块名称: 1.Avalonia; 2.Madagascar; 3.Somalia; 4.Parana; 5.Colorado; 6.Alborz terrane;7. Central Iran;8.Afghan terranes;9.Qiangtang terrane;10.Lhasa terrane;11.Dronning Maud Land;12. Chukotka 造山带：A Kunnga造山带；B东非造山带。

寒武系沉积盆地在全球分布较广，主要在南美、印度和东南极等地有大部分的缺失。冈瓦纳超大陆边缘多被海水淹没，内部多为高地。中北部多以碳酸盐岩沉积为主，南部多以砂岩沉积为主。寒武纪气候总体较温暖，温度及海平面在不断上升，陆块大部分被浅水淹没。早-中寒武世，西部环冈瓦纳的洋流覆盖了南极-低纬度区域，从南西向北东流动至波罗的海的底栖生物区。晚寒武世北东-南西向的顺岸洋流向高纬地区，携带了较多生物，富含有机质，尤其是冷暖流交汇处（Álvaro et al., 2003），这有助于富含有机质烃源岩的形成。 2.寒武纪生命大爆发寒武纪以来，伴随着罗迪尼亚超大陆的逐渐解体，生物开始繁盛。奥陶纪末期和泥盆纪末期发生一定影响程度的生物灭绝事件，但生物量总体保持相对稳定。前寒武纪地层只有一些零星分布的小型生物化石，以埃迪卡拉动物群为代表。地球生物群的第一次重大转折，发生距今大约5.4亿年前的寒武纪。寒武纪（5.42亿年前）地层突然出现了主要的动物类群，有了更多的化石记录，动物中也出现了更多形态多样化，与前寒武纪形成明显区别。云南澄江动物化石群中，已经发现了20多个门一级系统。在前寒武纪的2000万年间，地球上“突然”出现了许多无脊椎动物，包括环节动物类、腕足类、软体动物类、海绵类等等，它们都是现存很多动物的祖先，这次事件史称“寒武纪生命大爆发”。寒武纪大爆发特点之一，是开始出现两侧对称动物发育系统，它们具有纵向对称和专门的内脏系统，包括大多数现存的动物以及海绵、刺胞动物和一些小群体。早寒武纪生命突然爆发，许多动物突然出现在化石记录中，而在早期的岩层中却没有找到明显的祖先，学术界称为达尔文之惑（Darwin's Doubt），他在《物种起源》（1859年）中无法解释寒武纪化石突然出现这一事实。震旦纪生物主要为多细胞后生动物及小壳动物等简单生物，寒武纪时期地球上首次出现了带硬壳的动物，很多已知的寒武纪生物可在布尔吉斯页岩中发现，以海生无脊椎动物为主，特别是三叶虫、低等腕足类和古杯动物，红藻、绿藻等开始繁盛。北美、华南、波罗的和澳大利亚等均有布尔吉斯页岩型生物群的分布(Hendricks et al., 2008; Meert and Lieberman, 2008;Álvaro et al., 2007)，华南的澄江动物群和凯里生物群是当时海洋与海洋生物多样化及生态复杂化过程的见证及窗口(Zhao et al., 2005)，共同反映早期后生生物进化的过程，导致包括脊椎动物在内的现生动物各门类的诞生(Shu et al., 2004, 2005 ;Hou and Bergström, 2003)。

寒武纪全球典型古生物化石分布图

（李江海等，2013）从地质演化方面考虑，新元古代长期的侵蚀造成大陆克拉通结晶基底岩石表面及其土壤的高度风化，使得其地势较低。寒武纪早期海平面大幅度上升，导致这些内陆区域被海水淹没，使风化岩石和风化层被广泛侵蚀和搬运，钙、磷酸快速输入和其他离子进入海洋。海水钙含量在早寒武纪增加了近两倍，促进了生物矿化的起源。磷酸的输入提供了即时输送到浅水区域的营养。另外，寒武纪生命大爆发与当时氧气含量密切相关。在寒武纪之前，也就是距今6至7亿年前的成冰纪，地球经历斯图特冰期和马里诺冰期两次“雪球地球”事件。雪球地球消融后，温暖湿润的气候使浅海中浮游低等藻类繁盛。快速风化作用和沉积作用，将藻类遗体带入沉积物中，并以黑色页岩沉积于海底。而藻类产生的氧气大量进入大气圈，使大气和浅海中的氧含量，在冰期结束后短时间内有了明显升高。

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五、新元古代超大陆的雪球事件 1.罗迪尼亚超大陆及其裂解罗迪尼亚超大陆存在时间大约在1000-720Ma。Moores（1991）基于北美沉积序列与贯穿南极的山脉所记录的沉积序列非常相似，提出北美洲西南部—东南极拼接的模式；Hoffman（1991）提出，围绕劳伦古陆的一系列陆块以及紧邻的东南极大陆，它们之间均由格林威尔期的造山带连接。这一模型中，波罗的与格陵兰南部相接，而亚马逊则与北美东部相接。紧邻亚马逊，格林威尔期造山带延续到刚果克拉通东部的陆块，并将它们与刚果连接起来。格林威尔期造山带几乎环绕了整个卡拉哈里克拉通（非洲南部）和东南极海岸（东南极在格林威尔期被认为是统一的大陆）。印度和澳大利亚与东南极的拼合方式，与它们在东冈瓦纳大陆中的相对位置一致。亚洲大陆大量小陆块也参与到了罗迪尼亚超大陆演化中，但没有给出具体的位置。Hoffman（1991）提出罗迪尼亚超大陆模型，假定所有格林威尔造山带都涉及陆块之间大洋的关闭，并且认同北美西部-东南极的拼接（Moores，1991; Dalziel，1991），否定澳大利亚与北美拼接。

罗迪尼亚超大陆裂解示意图（750Ma）

（据互联网资料）

北美大陆与澳洲、东亚陆块、东、西冈瓦纳大陆之间出现地幔柱，超大陆开始发生裂解，泛大洋初生罗迪尼亚超大陆的裂解可能发生在800-600 Ma，并伴随着随后的漂移和冈瓦纳大陆的重组。在罗迪尼亚超大陆的中心位置附近，即北美大陆(Meert，200)，大量裂谷系的发育成为其裂解的直接证据。最早的裂谷系发育于罗迪尼亚超大陆其它地区汇聚的最后阶段，主要为中等尺度的大陆裂谷系。 830-725Ma，劳伦古大陆从罗迪尼亚超大陆分离。前寒武纪北美西缘的裂谷作用可能开始于750 Ma，此时劳伦大陆与澳大利亚的视极移曲线分离（Powell等，1993）。劳伦大陆与南极洲东部和澳大利亚分开，古太平洋形成，罗迪尼亚超大陆因此被分割成两大部分。中元古代晚期至新元古代早期，超级大陆裂解形成许多大洋，如位于东、西冈瓦纳之间的莫桑比克洋，Pharuasian洋（位于西非克拉通和横贯撒哈拉洋之间），在卡拉哈里、刚果、圣弗兰西斯科和拉普拉塔克拉通之间张开Adamastor洋（卡拉哈里和刚果克拉通之间Damara洋，为其分支）。随着与南美及其相邻陆块之间的分离，北美大陆的东部和南部演化形成一个非常复杂的大陆边缘。罗迪尼亚超大陆裂解时期，除北美之外，其它陆块也发育了样式复杂的裂谷系，如俄罗斯的里菲（Riphean）裂谷系和印度的裂谷。然而，在南美和西非，裂谷的发育导致了浅海盆地的形成。

罗迪尼亚超大陆裂解(1000-700Ma)

(Unrug, 1996)

BDK-Bundelkhan ,G-Grunehogna, GA-Gawler,NA-北澳大利亚, R-Rockall Plateau, SC-扬子, SF-圣佛兰西斯, WA-西澳大利亚

罗迪尼亚朝大陆新元古代末期的裂解，形成古太平洋盆地

（据互联网资料） 2.成冰纪时期冰期（850 Ma-630Ma） 成冰纪时期，地球曾经发生过几次冷却事件，在当时冰川覆盖了地球表面大部分的面积。冰期从7.2亿年前持续到6.35亿年前的地质时期。Cryogenian冰期通常被认为至少可以分成两个主要的世界性冰期。司图特冰期(Sturtian glaciation)从约7.2亿年前持续到6.6亿年前，而马林诺冰期(Marinoan glaciation))结束于大约6.3亿年前。这一时期冰川一直延伸到赤道，而海洋则变成了冰原混合物，几乎把整个地球都淹没在层冰盖之下。成冰纪期间出现雪球地球事件，为生物低潮。大气中的二氧化碳与水蒸气反应生成碳酸。这种弱酸最终降雨到地表时，会与新生成岩石(如长石)相互作用，导致化学风化，长石变成高岭石，同时产生钙离子和碳酸盐离子，形成碳酸钙。新岩石的形成和风化实际上可以将二氧化碳从大气中吸出，并将其锁在新岩石中。大气中二氧化碳浓度的减少，对地球温度的降低有促进作用，致使地球曾经发生过几次冷却事件。其遗迹除南极大陆尚未发现外,世界各大陆的许多地方都有保存。最早发现于苏格兰，挪威，此后在中国（即有名的震旦纪南沱冰期和其前后的冰期）、澳大利亚、非洲、格陵兰和北美相继发现。

新元古代全球四次主要冰期冰盖位置恢复图(850-630Ma)

（据互联网资料）大部分新元古代冰川记录储存在裂谷盆地巨厚的海相浊流-碎屑流层序，有关陆上冰碛岩及相关沉积物的描述较少。新元古代冰川产生丰富的冰川融水及灾难性寒冷气候下（雪球地球）的沉积物。罗迪尼亚大陆裂解及裂谷事件的发生时间超过200Ma，裂谷作用时期沿走向有明显的穿时性，随着裂谷盆地的形成出现冰川影响沉积(Kendall et al.，2006)。大规模的陆块及海洋格局重组对气候变化发挥了关键作用(Eyles，2008)。

新元古代冰期分布图(635Ma,715Ma)

（Hoffman et al.，2009）

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六、太古宙板块构造启动 地球是已知的唯一拥有板块构造的行星，支配了地球演化历史。板块构造是造成地震、火山和其他地质学事件的主要原因。板块运动创造了地球独特的地貌特征，造成水、碳、等物质得到循环，并为生命体的出现形成适宜生存环境。关于地球上何时开始板块构造的争论由来已久。早先认为板块构造开始出现于27亿年前，随着研究深入，认为板块构造开始出现的时间，不断向前延伸，如认为板块构造开始出现在“后期大轰炸期”的这个时间窗口期（冥古宙末期时，38－41亿年前）。目前有观点认为，38亿年、甚至41亿年前，44亿年前，地球就已经启动早期板块构造(Rey et al.，2014；Ernst,2017）。多数学者认为在太古宙末开始启动。对于地球早期板块构造的起源，一般涉及两种截然不同学术思路： 1）岩石圈小板块到大板块，再到超级大陆-超级大洋旋回演变。地球演化经历了早期岩浆海到岩石圈小板块（面积、厚度）、软（薄）板块的、再到刚性巨型板块的地质演化。这是长期以来传统的学术观点，主张早前寒武纪板块刚性和强度随着地球冷却作用不断增强，是板块构造体制发育的基础。随着地质证据和数据的积累，特别是地球动力学的研究，这种学术观点面临着学术挑战。 2）从具有稳定而停滞的单个板块体制（滞壳构造，stagnant lid），到板块构造（多板块或活动板片）的初始启动，这是从行星地质对比研究以及地幔对流模拟研究，获得的新观点，正在引起广泛重视。 1.板块构造体制的初始发生从早期构造过渡为板块构造不会是突然的（Gerya et al.,2015），30亿年前形成某种形式的板块构造，但不会是现今的板块构造。俯冲作用过程应当是渐变发生的，可能多次开启又停止，造成有裂痕的薄弱岩石圈边界，最终形成各个板块。典型板块构造至少出现于 2.5Ga前后，与较大宽高比的地幔对流相关（Grenholm et al.,2015）。板块和地幔对流是对立统一研究体系中的两个方面，它们不仅有其运动特性，而且会发生相互作用。板片在重力作用下俯冲，以及上涌地幔的冷却，成为地幔对流的动力。一般认为，板片俯冲是诱发地幔流动的关键因素。板块构造体制的出现，要求形成稳态的地幔流动，对流环具有较大的纵横比，但同时也可能造成板块俯冲被锁定。超大陆聚合造成其下方时间依赖的地幔升温效应，大陆岩石圈的出现造成对流环的波长加大。地幔对流导致板块开始运动后，板块又将约束和影响地幔对流（朱涛，2003）。板块构造启动的相关制约，都要求在冥古宙-太古宙的某个时期，地球构造体制发生显著变化。外来小行星的撞击作用、地幔柱活动和岩石圈自行热裂解都是造成单个板块裂解的重要触发因素。地球内部的冷却作用，可能造成洋壳密度增大，发生俯冲。俯冲和板块构造发生需要岩石圈存在三个软弱带。首先，岩石圈-软流圈边界必须足够弱，使岩石圈板块在其上移动。在地球历史早期，岩石圈最初形成，可能出现这样的软弱带。第二是俯冲板块上方需要有弱水化岩带，以建立自持的和不对称（单侧）俯冲。当板块下沉并加压和加热时，俯冲沉积物、大洋地壳和蛇纹石化上地幔释放的流体可以维持弱化界面。第三是通过岩石圈形成大规模横向扩展薄弱带，俯冲带可以在岩石圈形成。这种贯穿岩石圈的薄弱带在现今地球板块边界上不断产生，但如何在静止地球上产生，尚不清楚（Dewey et al.,2021）。从早期滞壳构造到板块构造启动，要求岩石圈与地幔粘度比值到达一定的临界值（Foley et al.，2012），岩石圈内剪切带的粘度在破坏作用下，必须达到下伏地幔粘度的临界值，才能开启板块构造。一般认为，地球岩石圈的强度低于其他类地行星。但在一般的地幔对流模式中，并未讨论地球岩石圈的裂解问题，只是先验地降低岩石圈强度，使岩石圈-地幔对流随时间演化，发生板块构造扩张或俯冲。

板块构造与滞壳构造之间的转换模式图

（据互联网资料）板块构造是由冷的向下俯冲的板片具有负的浮力驱动的。板片俯冲模式取决于板片强度及板片上方岩石水化（Gerya et al.，2008），板块强度较低时，发生双侧俯冲。稳态的单侧俯冲，要求板片强度较高以及板片上方岩石发生水化作用，变质作用造成流体释放，维持了大洋板块俯冲薄弱面的存在，有利于单向俯冲发生。地幔对流形成宽阔的板块和狭窄的板块边界。冥古宙岩石圈强度随时间发生变化，无水条件下岩石圈强度较大，以滞壳构造为主。板块发生大规模的俯冲作用（Rey et al.， 2014），要求横向构造应力克服上覆板片的粘滞力。为此，地表温度影响岩石圈的破坏过程，并影响板块是否开启。地球内部的冷却作用，也可能造成大洋与大陆岩石圈之间的密度和粘度差增大，而发生板块俯冲作用。

冥古宙岩石圈板块强度的变化示意图(Maruyama et al.，2018) 如果早期地球没有海洋，其板块强度可能太高，以滞壳构造体制为特征。随着海洋的形成，造成板块强度降低（<200-300 MPa），板块边界弱化（摩擦系数<0.1-0.2）)，有利于发生榴辉岩化。板块强度降低促进板块边界的发育和板块独立运动，表明冥古宙可能造成了板块构造的初始形成。为此，水是板块构造初始发生的必要条件，大洋形成是地球上出现板块构造的关键因素(Maruyama et al.,2018)。通过设定岩石圈物理参数，模拟地幔对流可以实现板块初始发生过程，包括洋中脊地幔上涌、板片俯冲、汇聚等。岩石圈顶部热边界层的屈服应力和地幔对流造就了板块构造。地幔对流表现为冷的岩块下沉，热的岩浆带着地球内部的热能上涌。岩石圈板块是地幔对流重要的顶部热边界层，岩石圈板块主要在重力作用下发生俯冲，对地幔具有冷却释热作用，使地幔对流作用取决于时间而演化。地幔对流与岩石圈板块运动一体化的数值模型，改变了孤立研究岩石圈板块的困境，岩石圈板块运动即是地幔对流的组成部分，大洋板片深俯冲对应地幔下沉对流，具有动力学和热力学意义。 2.类地行星的大地构造模式随着类地行星地幔热流不断降低，从岩浆洋到滞壳构造，到板块构造，再到滞盖构造，它们之间的地幔热流条件，存在跳跃式发展（下图），从海沟开启和洋中脊锁定的势温度区段，决定了板块构造运行（Sleep，2000）。

类地行星构造体制随热流演化示意图

（Sleep，2000） Stern等（2018）以类地行星为参照案例，初步提出硅酸盐行星由岩浆洋到热管构造到活动壳到滞壳的可能的构造演变序列，并主张岩石圈厚度和强度、演化时间（热流）是行星构造演化的主控因素。这些构造模式有待航天探测来证实或细化。从滞壳构造到板块构造的转换之间，要求地幔热流的升高（Sleep，2000；Bikilli等，2013），板块俯冲是关键的启动因素，而海沟的锁定，如碰撞造山带的形成又可能使板块构造向滞壳构造体制发生转换。

太阳系类地行星（硅酸盐行星）可能的构造演化阶段类比图 （Stern et al.，2018）

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七、冥古宙洋、陆的地壳分异 冥古宙是地球上最老时期（沈其韩等，2016）。Cloud（1972）将地球或太阳系的形成之前到约4000Ma，笼统地称为冥古宙（地球历史的前6.4亿年的历史阶段），意指地质记录较为模糊时期，即从地球形成到最古老的而且得到确定测年的岩石年龄为止。

太阳系(混沌宙，Chaotian)形成和地球(冥古宙)早期演化的时间表 (Goldblatt et al.，2010) 研究发现～4567Ma的古老同位素年龄值，出现在陨石富集钙和铝的耐熔包裹物之中（梅冥相，2016）。～4567Ma，代表地球与太阳系形成的时代，固体太阳系物质的首次形成。

全球克拉通与造山带分布图（Furners et al.,2015） （罗宾逊投影，投影中心，180°经线）克拉通陆块主要见于全球大陆内部，主要包括：东欧、西伯利亚、北美、格陵兰、巴西、亚马逊、非洲、澳洲、南极、哈萨克斯坦、印度、阿拉伯克拉通，以及华北、塔里木和扬子等众多陆块。图中灰色部分可分为浅灰色、中灰色和深灰色，其中浅灰色为造山带，中灰色和深灰色部分为克拉通。

太古宙和冥古宙地层表划分建议

（Bleeker（2004；沈其韩等，2016）大于44-38亿年的岩石-矿物地质记录，出现于（西澳大利亚、格陵兰、加拿大、南极、华北）等地。最老的陨石年龄为4567Ma、2005年美国阿波罗飞船带回的月岩年龄为4470Ma，均可以类比这个时期地球的形成。4567Ma，地球与太阳系形成时代，固体太阳系物质首次形成，代表冥古宙起点年龄值；4404Ma，地壳物质首次出现（梅冥相，2016）。地球是太阳系中唯一已知存在正在活动的板块构造的星球，地球早期形成的岩石圈记录在后期不断活动改造之下所保留下来的部分会随时间推移不断减少。冥古宙岩石证据可能在漫长地质演化过程中被不断破坏，也可能地球在冥古宙时期并没有地壳的形成(Harrison，2009)。 “晚期重轰炸”（Late Heavy Bombardment，LHB） 38－41亿年前，在月球表面上留下了这一时期的大量陨石坑及撞击事件的长期记录，称为“晚期重轰炸期”（LHB，39.5亿年冥古宙末期，历时3亿年之久）。LHB被视为阿波罗时代最伟大的发现之一。LHB是指40亿至38亿年前影响太阳系内部的高频率碰撞事件。地球没有保存这些重大撞击事件的痕迹。LHB的痕迹，可以在月球和火星等其他行星的撞击坑广布的表面，或来自小行星带陨石撞击熔化年龄记录中发现。LHB代表的行星增生过程中缓慢减少时期时间上集中分布的灾变性事件，即太阳系形成很久之后，由巨型行星轨道的重新调整引发。

“晚期重轰炸”（LHB）（40-38亿年）

（Kasting and Catling，2003）新的研究表明，LHB开始于约41亿或者42亿年前，且持续更长的时间，有人认为可能更早发生，约在4.20-4.37 Ga(Maruyama et al.,2017)。同位素测年揭示，大批小行星曾在狭窄时间窗（持续约5000万年内）连续撞击月球，留下无数的撞击坑。由此推测，地球可能也经历了LHB撞击事件，因受板块构造活动改造，未能保留下来这些陨石坑记录。其强度足以将地球表面的大部分熔化,留下丰富的岩浆活动记录，早期地壳记录和大气圈被破坏消失，但是也带来地球上孕育早期生命的水和化学成分。

地球早期重大事件列表

（据互联网资料）地球在冥古宙时期要热得多，熔岩覆盖地球表面，或是与小行星碰撞和放射性衰变，导致产生大量热能。最终，越来越少的小行星撞击地球，地球逐渐冷却下来。地球上的放射性元素衰变并形成稳定的子元素（daughter elements），存在的放射性物质也因此较少。早期冥古宙地壳可能很薄，不稳定，由超镁铁质岩石组成，这是超基性地壳被上涌的玄武质岩浆破坏并在俯冲带被消耗的表现。冥古宙大陆地壳可能是由硅铝质演化形成，就像如今的大陆地壳一样，密度较低，不受俯冲破坏。

冥古宙与显生宙地球的挥发分演化对比图

（据互联网资料）

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八、早期剧烈撞击期与水圈形成 地球在太阳系中独特的天文位置，使水体可以保持液态。地球水以固液气三种物理状态存在，进入地球上的各种环境。地球上的总水量约1．36×10⁹立方千米，其中海洋占97．2%，覆盖了地球表面积的71%，然而，关于地球上水的来源一直存在争议。海洋中的总水量只占地球质量的0.02%，地幔中锁定的水化岩石和矿物质也占同样比例。氢和氧是宇宙中含量第一和第三丰富的元素，但是水只存在于0-100摄氏度之间，在这个范围以外，将变成冰或水蒸汽。现今太阳系中，这个舒适的区域被称为“宜居带”。这是“雪线”（“Snow Line”）最初形成时，这个条带将干、湿的星子划分开。地球由干、湿星子混合而成。大部分水变成水合矿物质，沉入地幔，而一些残余物留在地表。

从小行星到完全分层地球的演化示意图

（Maruyama et al.，2017） 4.53 Ga出现大气和海洋。注意在0.3 MRE（地球平均半径）（保持大气）、0.5 MRE（火星）（形成表面岩浆海洋）和0.7 MRE（核心分离）时逐步分异，4.53 Ga发生巨大撞击，不久后海洋再次出现。有学者认为水在地球形成初期，由原始大气中的氢、氧化合成，水蒸气凝结下来形成海洋；也有学者认为水原先就存在于地球的星云物质中。其中，地球上的水来源于太阳系外围众多的彗星这一理论较成熟，认为地球形成非常晚时期，大量含水物质被输送到地球上。太阳系外围的彗星是地球上水的源头，众多彗星与地球撞击过程中将携带的大量水留在了地球上。而研究表明，67P彗星氘(D)与氢(H)的值(D/H)，与地球海洋(是地球的2倍值>海洋)不一样，大于地球海洋的3倍，不支持水主要来源于彗星的观点。也有研究表明，地球上的水可能在行星刚形成就已经存在，来源于组成太阳系原始物质，而非是后期通过彗星带来（Piani et al.,2020）。同位素组成表明地球是来自太阳系内部物质组成的，如顽火辉石球粒陨石。由于太阳系温度太高，不可能保存水、冰。地球上的水被认为是由太阳系外部在向内迁移之前形成的水合物质提供的。从地球形成时，水就是地球组成部分。地球自身包含大量含水物质（顽火辉石球粒陨石）,这些物质中的水在地球内部被合成，通过火山喷发等地质活动释放到空气中，最终冷凝成雨水降落到地表上，形成现今海洋（Piani et al.,2020）。另有理论认为，地球水来自雪线外的小行星，因为某些陨石(小行星碎片)的氘(D)与氢(H)的比值与海水的D/H比值一致。

内、外太阳系位置示意图

（Lin et al.,2020） ABEL模型（advent of bio-elements，生命元素降临模型） 该模型主张两步形成地球。第一步（4.56 Ga），最具还原性的顽火辉石类球粒陨石物质，增生形成完全干燥的地球，此时还没有大气和海洋。第二步，由含碳球粒陨石冰冷小行星，从小行星带外部直接撞击地球，由于木星、土星和大约4.4 Ga已经消失的气体巨星（“Black Sheep”）的引力散射（gravitational scattering），向干燥的地球输送大气和海洋成分。此外，对水（以及挥发物和铂族元素）的撞击，被称为生命元素巨变撞击事件（ABEL Bombardment），这是早期地球进化为生命行星最重要事件（Maruyama et al.，2017）。之后，还原性和氧化性物质混合，引发新陈代谢反应，成为地球上生命出现的第一个触发点。生命的出现必须有一颗还原性行星形成。此外，生命元素巨变撞击事件使地球从滞壳构造体制，向板块构造过渡，通过向干燥地球注入挥发物，使其成为宜居的三位一体行星（Trinity planet）（Maruyama et al.，2017）。

冥古宙地-月系统的模型示意图

（Maruyama et al.，2017）

（A）地球上出现斜长质的原始大陆和海洋，但巨型撞击事件后的月球上既没有海洋，也没有大气；（B）地球上被海洋覆盖的科马提质和玄武质（而非斜长质）原始结壳，而月球由斜长质原始大陆组成；（C）新提出的地月系统的两步形成ABEL模型，地球在4.53 Ga的初始形成期间完全干燥，随后在4.4 Ga大气和海洋成分增生

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九、地核的冷却与地磁场的形成 地球磁场是地球的“隐形护盾”，保护大气层不被太阳风破坏。从7万公里到地表700公里高处，太阳风向地球行进过程中，会被地球磁力线控制，顺着磁力线移动，这些氢离子风开始偏离吹向地球方向，或者随着磁场的引力线垂直砸向地球南北极，形成极光现象。太阳风大部分接触不到地球大气层，大气层和生物圈得以保护。

太阳风与地球磁场的相互作用示意图 形成弓形震波和磁圈（据互联网资料） 1.地核的结构地核是地球的核心部分，位于地球最核心。其半径约3470 km，地核质量占整个地球质量的31.5%，体积占整个地球体积的16.2%。地核主要由铁、镍元素组成，物质的密度较高，平均密度大约为每立方厘米10.7克。地核温度非常高，有4000~6800℃。根据地震波的变化情况，发现地核也有外核、内核之别。内、外核分界面，大约在5155千米处。因地震横波不能穿过外核，一般推测外核是由铁、镍、硅等物质构成的熔融态或近于液态物质组成。液态外核缓慢流动，推测地球磁场的形成可能与它有关。

地球内部结构及其物理特征

（据互联网资料） 2.地磁场成因地磁场是通过发电机过程（dynamo process）在液体外核中产生，将导电流体运动转换为电磁能。由于液体外核的搅动对流，地球形成稳定磁场。因此，地核对上层较低温地幔的散失热量速率很敏感。行星内部磁发电机使极性翻转，但是，真正的机制并不清楚。

地磁场的产生示意图

（据互联网资料）当冷却的俯冲板片到达下地幔时，它们会增强地核冷却速率，从而加快其中液态铁质的运动。根据数值模型，这种额外的运动会造成地磁场反转频率增加。因此，地表俯冲活动增强时，地磁场反转率可能会增加。

地球内部结构横断面图

（Biggin et al.，2018） 3.地核的冷却过程目前对内核如何生长知之甚少。在内核形成之前，整个内核都是熔融状态，内核的年龄比地球的年龄(大约46亿年)年轻，内核不可能是太阳系形成时继承的原始特征。地球形成之初，地核完全是液态的，固体内核形成的时间一直争论。内核是地球相对较新的组成部分，估算其形成时间为5亿～20亿年前。地球内核是10亿～15亿年前，从熔融外核中“固结”（2015，Nature）。元古宙火成岩的研究发现，古地磁强度在这段时间急剧增加，指示内核固态铁的首次出现。

地球内部的结构示意图 （/）地球上地幔结构可以从地震波得出。主要层圈是地壳、地幔和地核

左图地球沿赤道面的横剖图 （Torsvik et al.，2016) 右图地幔通过地幔柱生成带(PGZ)的直立横截面图 （Torsvik et al.，2016) Driscoll等(2016)确定了元古代(25-5.4亿年前)13亿年时间跨度内，多达10个额外的超时段（Superchron）。在1.30-1.00Ga之间，出现3次正常磁场超时段（超时段：两次地磁倒转之间的一段时间，持续时间超过千万年），说明过去20亿年大部分时间里，由地球发电机驱动的超时段，以相似的速度发生。地球自形成以来不断冷却，热量流失到太空，行星内核应该在大约5亿到10亿年前开始结晶。实际上，地核的年龄比之前估计的要古老得多。

正磁期地核及其古地磁历史

(Driscoll et al.,2016)

上图说明，随着时间推移，当地球的熔融地核形成和凝固时，有正常极性和反极性（Normal and reversed polarity）的超时段（Superchrons）

由此推测，这一时期地表俯冲板片的俯冲通量（进入地幔的冷板面积）较小，未对地磁场产生扰动。考虑板片俯冲通过50Ma-250Ma运动才能到达核幔界面，表明其为超大陆稳定存在时期，俯冲活动明显减少或者未到达核幔界面。前寒武纪古磁场强度总体低于显生宙，具有随时间显著变化的特征。前寒武纪的磁场强度的峰值出现于约2.4–2.5 Ga，1.9–2.0 Ga，约1.25 Ga及0.9 Ga，并不直接对应于地壳生长峰值一起变化，而是滞后约50-100 Ma，可以解释为它们是由于核-幔界面上低温物质（大洋板片俯冲）堆叠造成的。核-幔界面上低温物质积聚滞后于板块运动速率峰期50–100 Ma(O'Neill, et al.，2013)。在这些堆叠形成之前，核-幔界面被前寒武纪高地幔温度所隔热。俯冲幕或地幔崩塌后一段时间，致密的低温板片到达核幔界面，高温地核与低温板片接触，造成核-幔界面热通量增加。地核内对流重新调整，随后一段时期地表磁场强度也发生变化,所增强的磁场强度，反映液态外核对流活动加剧。

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十、地球起源和地球—月球系统的形成 1.地球行星的初始形成太阳系形成的星云假说（Nebular Hypothesis）主张，大约在45.7亿年前，发生了某种导致星云坍塌事件，可能是一颗恒星经过，或者是超新星产生冲击波作用的结果，最终都造成太阳系星云中心的引力坍塌。由于这种坍塌，灰尘和气体开始聚集到密度更大的区域。随着密度更高的区域吸入更多的物质，在动量守恒驱使下，该区域开始旋转，而压力的增则使其温度升高。大部分物质最终聚集在中心形成球体，演化为太阳，而其余物质则平展形成围绕太阳旋转的圆盘，即原行星圆盘。星云（由尘埃和气体组成的旋转物质）在塌缩中，温度上升、自转加速和平坦化。因为云团旋转，引力与惯性将云团压为圆碟，与其旋转轴成垂直。圆盘状尘埃和气体碰撞形成颗粒，后者又形成星子。大部分质量集中在中央并开始加热。与此同时，因为引力使得物质环绕尘埃粒子紧缩，使得圆碟剩余部分开始分解为环状物。细少碎片互相碰撞并组成较大碎块。组成地球物质聚集在距中央约1.5亿公里的地带。当太阳收缩并被加热，核聚变开始。因此形成的太阳风清空圆碟内大部分没有收缩并组成较大个体物质，只剩下少量元素。之后，较重元素聚集于太阳内侧，形成体积小，密度高的星体（类地行星），地球是距离太阳第三近的行星；较轻元素则聚集于离太阳较远的地方，形成体积大，密度低星体（类木行星）。由该盘吸积（accretion）形成行星，其中的尘土和气体被重力吸引，聚集形成更大的天体。由于它们的沸点较高，只有金属和硅酸盐才能以固体形式存在于距太阳较近地方，并且最终将形成类地行星，如水星、金星、地球和火星。由于金属元素仅占太阳星云的小部分，类地行星的体积不会太大。 45.6亿年前形成干燥地球。当时地球轨道远在雪线（snowline）内侧（2.7 AU天文单位，其数值取地球和太阳之间平均距离），地球主要成分应当是顽火辉石球粒陨石，45.6亿年时，发生形成月球的巨型撞击事件，地-月系统形成，没有大气和海洋成分，是完全还原的环境（Maruyama等，2017）。在该事件之后，地球从熔融硅酸盐物质球体开始圈层分异（梅冥相，2016）。

约45.6亿年前太阳系化学分带进程示意图 (Maruyama et al., 2017) 2.地月系统的形成类地行星形成主要由小天体通过碰撞而累积，随后成长为原行星，包括这些原行星之间的潜在碰撞。月球与地球岩石之间的同位素具有相似性，由此产生推出月球与地球的共进演化。原始地球和火星大小天体之间碰撞，是月球起源的最佳假说。约45亿年前，一个火星大小的原始行星(Theia)，与初生地球发生碰撞，形成地-月系统。这种撞击导致由撞击体和原始地球物质组成的环绕地球轨道的吸积盘，而原始地球是构成月球所需挥发性和亲铁性物质的来源（Grieve and Osinski，2021）。与行星相撞，导致地球的大部分水蒸发。它还可能重熔部分地球表面，破坏有价值的混沌属性，并在地球周围和现在包围它的巨大的、狂暴的碎片云周围，创造出等离子金属蒸气的大气层(Hruska,2019)。

地-月系统形成过程示意图

（资料来源于互联网）月球形成之后，具有大量环形山的月球地壳和巨大的(直径高达2500公里)多环撞击盆地的形成证明随后的高轰击频率。地球具有更大的重力横截面，将比月球捕获更多的行星间天体。地质历史上，地球经历的撞击事件可能比月球要多，包括在重轰击时期的撞击作用，但地球这一时期的岩石未能保存下来。如果没有月亮和月球潮汐，地球海洋和陆地生态系统中最重要的潮间带将很少或根本没有。如果没有沿海地带，地球生物圈的发展和进化道路将会大不相同。