新太古代

新太古代是太古宙的最後一個代，前一個是中太古代，后一個是元古宙的古元古代。新太古宙的年代大約在28~25億年之間，新太古代早期出現了地球形成以來的第一次冰河期，並延續5億年，也就是28~23億年之間。遵化新太古代蛇綠混雜岩中的地幔岩顯微構造以粗粒鑲嵌構造為主，礦物顆粒多以弧形邊界緊密鑲嵌，部分岩石出現粒間熔體。橄欖石出現殘斑構造、動態重結晶和拉長變形，鉻鐵礦出現典型的高溫拉分構造，表現出活躍的動態恢復、粒間滑移和擴散蠕變，顯示出大洋上地幔高溫條件下塑性流變的特徵，是大洋板塊側向擴張的深部表現。遵化蛇綠岩的地幔岩除了具有強烈的構造變形之外，部分豆莢狀鉻鐵礦保留有豆狀、豆殼狀等岩漿結構和構造，並且有未變形的純橄岩和輝石岩侵入，說明位於一個岩漿較強烈活動的位置。高溫塑性側向剪切變形和強烈的岩漿活動表明遵化蛇綠岩形成於快速擴張的洋脊，類似阿曼蛇綠岩。遵化蛇綠岩的圍岩出現石英條帶、核幔構造、動態重結晶和雲母魚等顯微構造變形，對應著蛇綠岩侵位到陸殼之後，從中部地殼向上地殼抬升的構造運動過程。

太古代離我們久遠，是地質發展史中最古老的時期，延續時間長達15億年，是地球演化史中具有明確地質記錄的最初階段。由於年代久遠，太古代的保存下來的地質紀錄非常破碎、零散。但是，太古代又是地球演化的關鍵時期，地球的岩石圈、水圈、大氣圈和生命的形成都發生在這一重要而又漫長的時期，大約39億年前，地球形成最初的永久地殼，至35億年前大氣圈、海水開始形成。

在太古代的最初期，地球上尚無生命出現。生命元素，如C，H，O，N等在強烈的宇宙射線、雷電轟擊下首先形成簡單有機分子，后發展為複雜有機分子，再形成准生命的凝聚體，進而由凝聚體進化成原始生命。在距今約33億年前，形成了地球上最古老的沉積岩，大氣圈中已含有一定的二氧化碳，並出現了最早的、與生物活動相關的疊層石；到 31億年前，地球上開始出現比較原始的藻類和細菌。在29億年前，地球上出現了大量藍綠藻形成疊層石，這表明這一時期地球上已經出現了遊離氧以及行光合作用的原核生物。

在新太古代時期，佔據地球上的全部生態系統的原核生物向著更高級、更適應生存、現代生物等方面發展，在這佔據了地球近三億年時間的，地球上可能經歷了最早的對地球生物產生影響的一次大冰期。

大冰期的成因

大冰期的成因，有各種不同說法，但許多研究者認為可能與太陽系在銀河系的運行周期有關。有的認為太陽運行到近銀心點區段時的光度最小，使行星變冷而形成地球上的大冰期；有的認為銀河系中物質分佈不均，太陽通過星際物質密度較大的地段時，降低了太陽的輻射能量而形成地球上的大冰期。

“冰川是氣候的產物”，這是冰川學界的流行說法。那麼，氣候又是什麼的產物呢？筆者的說法是“氣候變化是地球系統的變化在大氣圈中的反映”。冰凍圈是地球系統的一部分，所以我們可以說“氣候的一部分是冰川的產物”。當然，氣候的主要部分應該是地圈（包括殼、幔、核）的產物，因為地圈佔地球系統總質量的99.9％。冰川與氣候的關係緊密，它們同時受地圈變化的制約，我們甚至可以說“冰川和氣候同是地圈變化的產物”。地圈的變化又受宇宙因素的制約，筆者經過長期研究，提出如下觀點：宇宙磁場與地核磁流體的電磁耦合作用，可能是地球表層各系統變化的根本原因，也是冰川與氣候變化的根本原因。

1、大冰期與銀地磁耦合

在地球的46億年歷史中，一般公認曾出現過7次大冰期，關於其成因很多學者提出多種假說，但均不能令人信服。最近筆者提出：當銀河系旋臂磁極與地球磁極同向，且相互作用時間在40Ma以上者，將出現大冰期。

地磁極性的倒轉存在著3億年的長周期。一個銀河年的長度從20億年前的4億年逐漸縮短，到最近一個銀河年其時間長度僅約2億年。現在太陽系正經過銀河系的一個旋臂，其磁極方向為正（與現代地磁極相同）。將銀河系兩個旋臂（它們的磁極性剛好相反）經過地球的時間與地磁場倒轉的時間標在圖1上，可見當銀河旋臂與地磁極性方向相同，且同號時間維持在40Ma以上者。近40億年來共出現過8次（表1）。其中最近7次剛好對應著7次大冰期。

表1 銀地（磁）耦合C型與大冰期出現時間對照（單位：億年）

41.2 39.7 38.2 36.7 35.2 33.7 32.2 30.7 29.2 27.7 26.2 24.7 23.2 21.7 20.2 100Ma前

20.2 18.7 17.2 15.7 14.2 12.7 11.2 9.7 8.2 6.7 5.2 3.7 2.2 0.7 0 100Ma前

眾所周知，大冰期總是與造山運動相伴出現，這有其必然性。因為地勢平坦時，大氣熱機效率很低，使得行星風系很弱，極——赤溫差很小，不會形成大冰期；只有當造山運動使地勢變得不平坦時，大氣熱機效率才會大提高，使行星風系大增強，極地大降溫，才能形成大冰期。第四紀大冰期是與青藏高原隆升緊密相伴的。造山運動的構造營升力來自於地核環流轉變為“強對流型”，而銀河旋臂與地磁極同向且相互作用時間在40Ma以上，是使地核環流被激發為“強對流型”的必要條件。

青藏高原的隆升與第四紀大冰期的形成是說明上述觀點的一個典型個例44.57MaBP，地球磁極開始轉為正向，它與銀河系的正極旋臂即開始相互作用，使地核環流從“准地轉型”開始向“強對流型”過渡，青藏高原開始抬升，隨著地磁極性倒轉為負極，高原抬升運動停止，變為夷平運動。如此在45Ma的時間內經歷多次反覆2.5MaBP青藏高原被抬升至2000m左右的高度，高原季風大轉型，才開始出現第四紀大冰期。

2、冰期與地磁強度變化

冰期、間冰期為105a的旋迴，比大冰期短3個量級，一般認為它是米氏周期的結果，但有很多問題用米氏理論解釋不通，如近73萬年來青藏高原被公認為有3次冰期，即末次冰期（1～7萬年前）、倒數第二次冰期（13～30萬年）和倒數第三次冰期（50～72萬年），其時間間隔遠超過10萬年，用米氏理論不好解釋。事實上，地球軌道的三要素的綜合可使極地的太陽輻射量變化達20％～30％，但使中緯地區的變化量卻小於5％，因此筆者認為關於青藏高原冰期的成因應另尋解釋。用地磁場的變化或許是一種更合理的解釋。“倒三冰期”是青藏高原隆升的凍結高度時，所必然出現的一次“最大冰期”。從Kukla（1987年）給出的西峰磁化率曲線可知，1～7萬年前和22～35萬年前為兩個磁化率低值時段，它們基本上與末次冰期和倒數第二次冰期相吻合；而8～13萬年和48～55萬年為磁化率高值時段，它們又與間冰期基本相合。再從王蘇民等（1996年）給出的若爾蓋剖面的結果可見，2～5萬年之間出現過4次磁極性漂移（極漂），16～26萬年之間亦出現過5次極漂，而5～16萬年之間僅出現過1次極漂，極漂事件頻繁的兩個時段，恰好對應著兩次冰期；極漂事件很少之時，則對應著間冰期。這亦表明：地磁弱時易出現冰期，地磁強時易出現間冰期。這一結論似乎與上一節的結論有矛盾，其實並不矛盾，形成大冰期的直接原因是地形隆起，它要求磁場強，且相互作用時間較長；對冰期，甚至小冰期和冰川波動，因時間尺度較短，地形的升高已不是主要矛盾，它所要求的地地熱釋放較少，有利於降溫，地磁弱時較容易滿足這一條件。

3、小冰期與太陽磁場變化

15、17、19世紀亞歐大陸發生了三次明顯的冰進，冰川學界稱之為“小冰期”，它的時間尺度是102a，比冰期又短3個量級。這3次冰進剛好與3次太陽黑子極小期（19世紀極小）基本對應，其中出現在17世紀的Maunder極小期是2000多年來太陽黑子最少的一個時段。黑子少意味著太陽磁場弱，它與地磁場的耦合作用亦將變弱，致使冰期前進。小冰期是地球史上有名的災害群發期（所謂“明清災頻期”），另一個“兩漢災頻期”也是出現在太陽黑子的極小期中。大地震大旱魔在中國大地上接連逞凶。從冰芯記錄中可知，在高山冰川區“小冰期”是一個低溫、降水略多的時段，這與同期山外平原區是一個低溫、乾旱時段有所不同。這種差異似乎是大氣中地形性熱力環流調整的結果。

4、冰川波動與氣候變化

冰川波動一般包括冰舌進退（其特徵時間為101a）和冰川物質平衡，零平衡線高度變化（其特徵時間為100a）等幾項內容，它們均與短氣候變化緊密相聯。近40多年是各種地學資料最多的年代，可以進行較仔細的討論。有些氣候學家認為，在這段時間裡出現過兩次氣候突變，一次在60年代中，一次在80年代初。或者說，可以將此40多年的氣候分為三個時段。以下將60年代中至70年代末這一時段簡稱為70年代，重點討論此時段的冰川與氣候波動及其可能原因。

70年代是北半球的低溫時段（南半球為高溫時段），中國大部份地區是低溫少雨時段，青藏高原積雪面積亦變小。可是由於地形性熱力環流的調節，使高海拔區在該時段的降水反略有增加，於是前進冰川的比例大為增加。這一點與“小冰期”的情形頗為相似。

70年代是地球自轉的慢段，是太陽黑子的相對低值時段，也是中國大陸地震多發的時段。這些特點均與“小冰期”相似。它們之間是否有什麼共同的地球物理過程在其中起作用？這是值得地球科學家著力研究的問題。

5、冰川與氣候變化的一種可能機制

地球與宇宙之間除了有引力的相互作用外，還有熱和磁的相互作用。“熱”首先是作用於地球表層，這已為人們所認識。“磁”則首先應作用於地球外核，因外核是磁流體。當太陽系（或銀河系）磁場與地球磁場同向時，則若磁場增強將會激發地核流體中的對流活動增強；反之，會使地核中的對流活動減弱。地核環流通過核幔邊界影響地幔對流的方式應有多樣，其中太平洋之下的地核對流與全地幔對流之間的相互耦合應是其一種，有跡象表明，太平洋的地幔對流可能是全球最強之一。

當太陽系磁場減弱時（如太陽黑子減少），通過電磁相互作用使地核對流減弱，於是從地核向上傳的熱量減小，這可能是小冰期和本世紀70年代氣溫降低的基本原因；另一方面因為地核對流減弱，使得太平洋之下地核的“距平”環流變為下沉流，它通過粘性作用帶動核幔邊界層作“距平”向西運動，這是地球自轉減慢，西太平洋和東亞大陸地震活動增強的原因。而東亞大陸地幔此時為“距平”下沉流，它是亞歐地區氣溫和地溫降低、降水減少的基本原因。此時，大陸上空出現大尺度的“距平”下沉氣流，使雲量減少，這有利於地形性熱力環流增強，致使高海拔區的降水不至減少甚至略有增多，造成了冰川活動以前進為主。這是筆者對“小冰期”和70年代冰川相對前進的原因解釋。這一設想是否正確，有待實踐檢驗。有一點可以肯定的是，實際情況遠比上述設想要複雜，宇宙磁場不僅僅影響到太平洋下的地核流場，它還將影響到地核三圈環流、過赤道環流全球尺度的地核流場，使地球表層呈現出紛繁複雜的變化。

經過了天文期以後，地球便正式成為太陽系的成員。大約又經過22億年，地球發展便進入到地質時期——太古代。這段從46億年～38億年的地質時期有哪些特點？

（1）薄而活動的原始地殼：根據資料分析，原始地殼的部分可能更接近於上地幔。硅鋁質和硅鎂質尚未進行較完全的分異，因此太古代時期的地殼是很薄的，也沒有現在這樣堅固複雜。由於地球內部放射性物質衰變反映較為強烈，地殼深處的融熔岩漿，不時從地殼深處，沿斷裂湧出，形成岩漿岩和火山噴發。當時到處可見火山噴發的壯觀景象。因此我們現在從太古代地層中，普遍可見火山岩系。

（2）深淺多變的廣闊海洋中散布少數孤島：當時地球的表面，還是海洋佔有絕對優勢，陸地面積相對較少，海洋中散布著孤零的海島，地殼處於十分活躍狀態，海洋也因強烈的升降運動，而變得深淺多變。陸地上也有多次岩漿噴發和侵入，使上面局部地區固結硬化，使地殼慢慢向穩定方向發展，因此太古代晚期形成了穩定基底地塊——“陸核”。陸核出現，標誌地球有了真正的地殼。

（3）富有CO2，缺少氧氣的水體和大氣圈：太古代地球表面，雖然已經形成了岩石圈、水圈和大氣圈。但那時的地殼表面，大部分被海水覆蓋，由於大量火山噴發，放出大量的CO2，同時又沒有植物進行光合作用，海水和大氣中含有大量的CO2，而缺少氧氣。大氣中的CO2隨著降水，又進入到海洋，因此海洋中HCO3-濃度增大。岩漿活動和火山噴發的同時，帶來大量的鐵質，有可能被具有較強的溶解能力的降水和地表水溶解后帶入海洋。含HCO3-高濃度海水同時具有較大的溶解能力和搬運能力，因此可將低價鐵源源不斷地搬運至深海區，這就是為什麼太古代鐵礦石佔世界總儲量60％，礦石質量好，並且在深海中也能富集成礦的原因。

（4）太古代的地層：太古代的地層，都是一些經過變質的岩石，例如片麻岩、變粒岩、混合岩等深變質的岩石。我國太古代地層只分佈在秦嶺、淮河以北地區。出產鞍山式鐵礦的鞍山、呂梁山、泰山、太行山等地均有太古代地層。

一般指距今46億年前地球形成到25億年前原核生物（包括細菌和藍藻）普遍出現這段地質時期。“太古代”一詞1872年由美國地質學家達納（J.D.Dana）所創用。當時形成的地層叫“太古界”，代表符號為“Ar”。主要由片麻岩、花崗岩等組成，富含金、銀、鐵等礦產，構成各大陸地殼的核心。主要分佈在澳大利亞、非洲、南美的東北部、加拿大、芬蘭、斯堪的那維亞等地；中國遼東半島、山東半島和山西等地，亦有太古代地層露出。1970～1980年，一批科學家連續報道了在澳大利亞西部諾恩·波爾（NorthPole）地區35億年前的瓦拉烏納群（Warrawoonagroup）地層中，發現了一些絲狀微化石。這是迄今在太古代地層中發現的、比較可信的最早化石記錄。

20世紀70年代建立的蛇綠岩(Ophiolite)概念認為出露在縫合帶中的一套鎂鐵-超鎂鐵岩組合是大洋岩石圈的殘留，其岩性單元可以與現代大洋岩石圈各個層圈一一對應，所以蛇綠岩是確定古板塊邊界的重要證據，該認識促進了板塊構造學說的發展。近年來完善的MOR型和SSZ型蛇綠岩理論體系認為MOR型蛇綠岩形成於洋中脊(MOR)，SSZ型蛇綠岩形成於俯衝帶上(Supra-Subduction Zone)，二者的地幔橄欖岩、堆晶岩組合及上部熔岩在岩石學、礦物學和地球化學方面均有不同的特徵，洋-陸俯衝和洋內俯衝是形成SSZ型蛇綠岩的兩種機制，較為合理地解釋了蛇綠岩的多樣性及其與大洋岩石圈的差異。由於大洋板塊的俯衝作用，在縫合帶中MOR型蛇綠岩很少被保存下來，保存較好的大多數為SSZ型蛇綠岩。本文探討了蛇綠岩研究中經常遇到的問題並提出了解決的思路，同時認為Rodinia超大陸前是否存在蛇綠岩、太古宙綠岩是否為蛇綠岩均為有待深入研究的問題。