5.3晚古生代(石炭纪和二叠纪)

5.3.1古地理学

在古生代晚期，又发生了一连串的大陆碰撞，最终形成了Alfred Wegener所说的泛大陆(Pangaea)。这些碰撞中最大的一次发生在冈瓦纳(Gondwana)撞击劳伦蒂亚(Laurentia)和波罗的古陆(Baltica)时。该事件引发了阿勒加尼亚(Alleghanian)造山运动，并形成了一个巨大的山地带，其侵蚀残余在美国东部的阿巴拉契亚(Appalachian)山脉和沃希塔(Ouachita()山脉中显露出来。在该山地带的大陆一侧，挤压形成了阿巴拉契亚褶皱-冲断带，其中地壳沉积层水平缩短了50%。

在阿勒甘尼亚(Alleghanian)造山运动期间产生的挤压作用非常强烈，使得整个北美古老的、先前存在的断层再次活跃起来。这些断层的运动形成了小的山脉和邻近的沉积盆地。这些山脉中最大的一部分是在古生代晚期，在现在被落基(Rocky)山脉占据的地区出现的。由于它们的位置，这些晚古生代山脉共同构成了Ancestral Rockies。

在古生代末期，几乎所有的陆地合并成一个超大陆，称为泛大陆

在阿勒加尼亚和海西造山时期，形成了一个巨大的山带。原始的落基山脉出现在大陆的西部

泛大陆的形成还涉及到世界各地的其他碰撞。值得注意的是，非洲与南欧发生碰撞，形成了海西造山运动(Hercynian orogeny)。泛大陆横跨了从南极到北纬70度左右的区域。泛大陆的南端是极地气候，被冰川覆盖，而中部的冈瓦纳则跨越赤道，享受着热带和半热带的条件，这有利于在巨大的沼泽中繁茂的生长。

5.3.2生命的进化

化石记录表明，在古生代晚期，植物和动物继续朝着我们今天所熟悉的形式进化。巨大的石炭纪沼泽产生的氧气，在一段时间内，占据了大气的三分之一。它的生长还留下了厚厚的成堆的植物残骸，这些残骸在掩埋后最终变成了煤。

在这片沼泽中，包括巨大的蜻蜓在内的长着翅膀的昆虫在蕨类、块茎藓和芦苇丛中飞翔，到了石炭纪末期，出现了翅膀可折叠的蟑螂。森林中裸子植物(“裸种子”植物，如针叶树)和苏铁(棕榈树状茎和蕨类叶子的树)在二叠纪广泛传播。陆地上生活着两栖动物，爬行动物紧随其后。爬行动物在陆地上的成功反映了动物繁殖中一个全新的组成部分：带有防水保护层的卵。卵的出现使爬行动物无需返回水里就能繁殖。

随着二叠纪-三叠纪(P-T)大灭绝事件在252Ma的发生，古生代宣告结束，其间超过96%的海洋物种和70%的陆生物种消失了。没有人确定P-T事件发生的原因。根据一种假设，它发生在西伯利亚巨大的溢流玄武岩爆发之后。火山的喷发可能导致气体的排放，使大气变得混浊，海洋酸化，使许多环境不适合生命生存。

石炭纪煤沼泽的博物馆透视画。插图显示了一只古生代巨型蜻蜓的大小(翼展约1米)，与一个人的大小相当

到了二叠纪，爬行动物如Dimetrodon居住在这片土地上

6.中生代：恐龙的统治

6.1中生代早期和中生代中期(三叠纪及侏罗纪)

6.1.1古地理学

超级大陆不会永远存在，盘古大陆在古生代末期聚集在一起，存在了大约1亿年，直到三叠纪晚期和侏罗纪早期，在现在的北美东海岸地区开始了裂谷作用。在侏罗纪末期北大西洋开始生长，将北美与欧洲和非洲分开。与此同时，沿着北美西部边缘，汇聚边缘构造成为当时的主流。从晚二叠纪开始，一直持续到中生代，当大洋岩石圈和大陆之间的俯冲被吞没时，离岸形成的岛弧和大洋高原与北美西部发生碰撞。随着这些外来的地板块被连接起来，大陆向西发展。然后，从侏罗纪末期开始，一个巨大的大陆火山弧，即现在所知的希尔兰(Sierran)弧，开始沿着北美洲本身的西部边缘形成，这是太平洋海底的一部分法拉龙(Farallon)板块，俯冲到大陆下面。

泛大陆在三叠纪开始分裂。到了侏罗纪时代，出现了狭窄的北大西洋

在三叠纪和侏罗纪早期，地球的气候相对温暖，所以极地地区的冰川完全融化了。沙质沙漠覆盖了北美西部的部分地区。这些沙漠中的大型沙丘形成了岩石，变成了暴露在锡安国家公园(Zion National Park)五颜六色的红色砂岩。在中侏罗世，海平面开始上升，陆缘海再次上升洪水淹没了大陆的部分地区

6.1.2生命的进化

在中生代早期，出现了许多新的植物和动物种类。爬行动物在海洋中游泳，群体珊瑚建造了大量的珊瑚礁。在陆地上，裸子植物和爬行动物多样化，地球上出现了最早的乌龟和飞行的爬行动物。三叠纪末期，第一批真正的恐龙出现了。恐龙和其他爬行动物的不同之处在于它们的腿延伸到身体下面，而不是延伸到身体的两侧。到了侏罗纪末期，重达100吨、长脖子和长尾巴的蜥脚类恐龙，以及我们所熟悉的剑龙等怪物，轰鸣着横空飞过，而第一批长羽毛的鸟类，如始祖鸟，飞上了天空。小型的啮齿类动物是哺乳动物的最早祖先，它们在三叠纪晚期的灌木丛中奔跑。

侏罗纪时期，巨型恐龙在陆地上游荡

6.2中生代晚期(白垩纪)

6.2.1古地理学

在白垩纪时期，地球的气候继续变暖，海平面显著上升，达到了两亿年前未曾达到的高度。在白垩纪，一条鲨鱼可能从墨西哥湾横穿北美游到北冰洋。地质学家认为，海平面上升不仅是因为气候变暖，还因为一段时期的海底快速扩张和大量的火山活动。在白垩纪初期，北大西洋海洋已经扩大到1500公里宽。

泛大陆在白垩纪时期继续分裂。南美洲脱离了非洲，到白垩纪中期，南大西洋开始生长。到了白垩纪晚期，南极洲和澳大利亚已经分开了，印度开始向北迅速漂移到亚洲。

沿着北美西海岸的西尔兰大陆弧在白垩纪仍然很活跃。它的火山早已被侵蚀殆尽，但侵入它下面的花岗岩体现在形成了加州内华达山脉的巨大悬崖。当大陆弧仍然活跃时，褶皱逆冲带向东发展，其残余在加拿大落基山脉和怀俄明州西部显露出来。地质学家把产生这个褶皱-冲断带的变形称为塞维尔(Sevier)造山运动。总的来说，当时的美国西部就像今天的安第斯山脉。

在白垩纪末期，大洋板块俯冲到美国西部之下的深度减小，板块开始与大陆底部发生剪切。因此，造山活动向东移动，怀俄明州、科罗拉多州、犹他州东部和亚利桑那州北部的大型逆断层变得活跃起来。这些断裂深入前寒武纪基底，基底沿断层抬升。该运动使上覆的古生代地层扭曲成大的单斜。这一系列的事件，被地质学家称为拉腊米特(Laramide)造山运动，导致了今天美国落基山脉的生长。

到了白垩纪晚期(70Ma)，大西洋已经形成，印度正迅速向亚洲移动；海路淹没了北美的西部内陆，大陆火山弧(西尔兰弧)在它的西海岸生长，而塞维尔褶皱逆冲带在弧的东部形成；在拉腊米特造山运动中，变形向东移动，从塞维尔褶皱冲断带移动到落基山脉。这张地图显示了大约40Ma始新世拉腊米造山运动的最终结果

6.2.2生命的进化

在中生代晚期的海洋中，现代鱼类出现并占主导地位。与早期的鱼相比，新物种有短颚、圆形鳞片、对称的尾巴和特殊的鳍。它们是大型游泳爬行动物和巨型海龟的猎物。在陆地上，有被子植物(开花植物)，包括硬木树，生活在森林中，恐龙几乎生活在所有的环境中。哺乳动物也多样化了，发展出更大的大脑和更特殊的牙齿。在66Ma的时候，在现在被称为K-Pg的大规模灭绝事件中，恐龙和大多数其他物种一起突然彻底消失了。这一事件很可能是由灾难性的陨石撞击造成的。

开花植物最早出现在白垩纪；白垩纪食肉的啮齿类哺乳动物

7.新生代：现代世界出现

7.1古地理学

在过去的6600万年里，地球的表面一直在变化，逐渐形成了我们今天看到的大陆和板块边界。曾经构成冈瓦纳(Gondwana)的大陆向北漂移，俯冲吞没了将冈瓦纳与欧洲和亚洲分开的特提斯海(Tethys Ocean)。最终，欧洲和亚洲的南缘与各种小的地壳碎片碰撞，然后最终与印度和非洲碰撞，形成了今天地球上最大的造山带：阿尔卑斯-喜马拉雅山脉。印度的持续北上运动导致了西藏高原的隆升。

随着大西洋的增长和美洲向西移动，在它们的西部边缘形成汇聚型边界。在南美洲，这种活动产生了安第斯山脉，它仍然是一个活跃的造山地区。在北美，拉腊米特造山运动持续到大约40Ma(始新世，即古近纪中期)。在这个时候，将法拉龙板块和太平洋板块分开的大洋中脊开始俯冲到北美西海岸下面。法拉龙板块一直向东移动，朝向北美，而太平洋板块则向西北移动，与北美西海岸平行。因此，随着洋脊的俯冲，北美板块和法拉龙板块之间的收敛边界逐渐被北美板块和太平洋板块之间的转换边界所取代。

到了25Ma，圣安地列斯断层系统，这个转换边界的痕迹，已经开始沿着美国西海岸形成。在今天这个走滑断层上，太平洋板块相对于北美以每年约6厘米(3英寸)的速度向北移动。在美国西部，汇聚边界活动仅在华盛顿州、俄勒冈州和加利福尼亚州北部继续，那里胡安•德富卡板块(Juan de Fuca，法拉龙板块的一小部分残余)的俯冲产生了喀斯喀特山脉(Cascade Range)的火山活动。

在始新世(50 Ma)古地理重建中，印度尚未与之碰撞亚洲，欧洲和亚洲还没有合并成一个单一的地貌

大约在圣安地列斯断层活跃的同一时间，受塞维尔和拉腊米特造山带影响的区域开始发生大致东西向的裂陷(伸展)，形成了盆地和山脉省，一个宽阔的大陆裂谷。该地区有狭长的山脉，被平坦的沉积盆地分隔开来。该地区的地形是由正断层造成断层上方的地壳向下滑动并倾斜，破裂形成的。倾斜块体的隆起形成了山脉，它们之间的洼地随着沉积物的侵蚀而迅速隆起，形成了盆地。

红色箭头表示拉伸方向，黄色箭头表示地壳块体的旋转

盆地和山脉省边界位于蛇河平原的北部，这一特征标志着现在位于黄石国家公园下面的热点的轨迹。随着北美板块向西漂移，沿着这条轨道形成了大量的破火山口。黄石国家公园横跨了最近的火山口。在世界各地，板块相互作用继续推动地震活动、火山活动和造山运动。

阿尔卑斯-喜马拉雅造山带是非洲、印度和澳大利亚与亚洲碰撞形成的

科迪勒兰山脉和安第斯山脉的造山带反映了太平洋东海岸汇聚边缘的特征。

在白垩纪时期，世界相对温暖，海平面高，大片大陆被淹没。在新近纪渐新世早期(约34Ma)，全球气候迅速变冷，南极冰川自三叠纪以来首次再次出现。在中新世晚期，气候持续变冷。在过去的2.6Ma里(第四纪)，气候普遍寒冷，巨大的冰川在北方大陆上扩张和消退了至少20次。

地质学家将这一时期称为更新世冰期。我们今天在北温带地区看到的大部分地貌都是由冰川的侵蚀和沉积造成的。大约1万1千年前，气候变暖，冰川消融，我们进入了今天仍在经历的间冰期。

7.2生命的进化

当K-Pg陨石撞击地球后，天空终于放晴了，植物的生命恢复了，不久，被子植物和裸子植物开始繁殖。到了新生代中期，草原已经遍布了中纬度地区的平原，把这些地区变成了广阔的草原。随着恐龙的消失，鸟类和哺乳动物开始多样化。今天生活的大多数哺乳动物都源于新生代，因此这个时代被称为哺乳动物时代。在这个时代的后期(晚新近纪和早第四纪)，出现了猛犸象和剑齿虎等大型哺乳动物。但这些动物在过去的一万年中可能是由于人类的猎杀灭绝了。

根据化石记录，类猿灵长类在中新世(约20Ma)出现了多样性，最早的类人灵长类，南方古猿(australopithecines)大约在4Ma出现，其次是人类属的第一个成员，人属(Homo)在2.4Ma出现。直立猿人，一个能够制造石斧的物种，大约在1.6Ma左右出现在非洲，而我们的物种，智人，大约在50万年前从尼安德特人中分化出来。当现代人在大约20万年前第一次在地球上行走时，他们与另外两个同类物种(尼安德特人和丹尼索瓦人)共同生活在这个星球上。最后一批尼安德特人大约在4万年前灭绝，最后一批丹尼索瓦人在2.5万年前灭绝，地球上仅存的人类物种是智人。

草原最早出现于新生代。大型哺乳动物统治着陆地，因为恐龙在数千万年前就灭绝了

我们自己的人类谱系是在新生代进化的。像南方古猿这样的类人灵长类，第一次出现大约在4Ma年前

【最新研究标明我们可能是从鱼进化来的。。。。】

8.全球变化的概念

侏罗纪时期的地球表面和今天的一样吗？肯定不是！正如我们所见，在侏罗纪时代，非洲和南美是同一大陆的一部分，野性的呼唤从恐龙的喉咙中发出，而今天宽阔的南大西洋将这两块大陆分开，最大的动物是哺乳动物。我们今天所看到的地球只是一个快照，是这颗有着漫长而复杂历史的不断变化的行星生命故事中的一个瞬间，这个观点可以说是地质学对人类理解宇宙的最伟大的哲学贡献。

由于板块运动，地球表面会随着时间而改变，这里我们看到了过去两亿年间发生的变化

进化是单向的改变，因为转变永远不会重复。例如，中生代最大的动物是爬行动物，而今天最大的动物是哺乳动物

为了完善我们对地球历史的思考，让我们更密切地关注变化的概念。在前言中，我们介绍了地球系统的概念：地球的所有物理和生物领域以及它们相互作用的复杂方式。在这种情况下，我们可以把全球变化看作是地球系统随时间的变化。

为什么地球在地质时期会发生如此大的变化，它又是如何继续变化的呢？最终，变化会发生，一方面是因为地球内部的热量使得软流层足以流动，另一方面是因为太阳辐射可以将地球表面的大部分温度保持在水的冰点以上。软流圈中的流动允许板块构造，而板块构造又导致大陆漂移、火山活动和造山活动。太阳辐射使河流、冰川、海浪和风保持运动状态，从而导致侵蚀和沉积，也促进了光合作用。如果地球不具备板块构造和太阳热能的完美组合，它就会变成像火星那样的冰封尘暴区，像月球那样坑坑洼洼的荒原，或者像金星那样被云堵塞的火炉，就无法容纳我们所知的生命。

现在让我们在全球变化的背景下简要地重新审视地球历史的一些方面。我们会看到这段历史的某些方面说明了不同类型的变化。我们会看到，人类已经成为变化的重要推动者，这可能会被记录在地层记录中。

8.1地球历史上的单向变化

随着地质时间的推移，地球系统以许多不可逆转的方式发生了变化。例如，地球内部分化为地核和地幔，这种分化在地球历史的早期就发生了，在未来将永远不会发生，因为地核一旦形成，就无法再形成。海洋的变化，以及这一过程对大气成分的影响，也代表着一种单向的变化，即一旦它在3.5Ga前发生，液态水就会在我们的星球表面持续存在(除了短暂的、雪球地球的情况)。液态水的存在为生命的出现提供了条件。

正如我们所看到的，化石记录表明，生命在地质时代的过程中不断进化。早期的生命只有生活在海里的简单古菌和细菌，但在过去的6亿年间，生活在复杂生态系统中的多细胞植物和动物出现了，其中一些居住在陆地上。如果再发生一次大灭绝事件，生物多样性将会减少。但是进化，地球上生物组合的单向变化，将继续下去。灭绝是永远的，所以当生命在下一次大灭绝事件后重新出现时，它与以前的生命是不一样的。

8.2地球系统的周期变化

有些循环变化是周期性的，在这些周期中以可定义的频率发生，但很多不是。有些循环只涉及地球系统物理成分的运动，而另一些则涉及地球系统生物和非生物成分之间物质的转移。在本章中，我们已经看到了所有这些循环变化的例子：

8.2.1岩石循环

组成一种岩石的矿物的原子可能会在以后变成另一种岩石的同一类型或不同类型的岩石的一部分。实际上，岩石是原子的储层，随着时间的推移，原子从储层到储层的运动构成了岩石的循环

8.2.2超大陆旋回

在数亿年的时间尺度上，大陆块碰撞并聚集成巨大的超大陆。一个超级大陆可以生存几千万到几亿年，直到它经历了裂谷作用，形成更小的大陆，这些大陆由于海底的扩张而漂移分开。最终，大陆重新组合成一个新的超大陆，只是再次分裂成不同的块体

超大陆旋回的各个阶段

8.2.3海平面循环

在显生宙，海平面上升和下降高达300米，在前寒武纪可能也是如此。当海平面上升时，大陆内部可能成为沉积物聚集的浅海，当海平面下降时，陆地干涸

8.2.4生物地球化学循环

生物地球化学循环包括化学物质在地球系统内的非生物和生物之间的流通。非生命储库包括大气、地壳和海洋，而生命储库包括植物、动物和微生物。在生物地球化学循环的某些阶段可能只需要几个小时，而另一些阶段可能需要数百万年。在一段时间内，生物地球化学循环可以达到一种稳定状态的条件，这意味着，即使储层之间的流动继续进行，不同储层中化学物质的比例仍然保持相当稳定。生物地球化学循环的全球性变化改变了不同储层的化学成分比例，导致稳态条件的变化。

8.3我们时代的地质记录：人类世？

在公元前4000年，文明开始的时候。在美国，人口最多只有几千万。但到19世纪初，工业和卫生领域的革命大大降低了死亡率，提高了生活水平，因此人口以更快的速度增长，在1850年达到了10亿。然后只用了80年人口就翻了一番，在1930年达到了20亿。如今，人口翻倍的时间只有44年，所以人口在2000年前就突破了60亿大关，在2016年突破了74亿大关。

现在人口大约每44年翻一番。黑死病的流行造成了人口持续几十年的突然下降

随着人口的增长和生活水平的不断提高，我们对地球资源的利用也在增加。每当我们移动一堆石头、犁地、排水湿地或铺路时，我们就改变了地壳的一部分。显然，我们对资源的使用深刻地影响着地球系统，因此人类已经成为全球变化的重要代理人。此外，滥伐森林、过度放牧、农业和城市化已导致生物多样性的显著减少。这种减少如此严重，以至于在地质记录中会以大灭绝事件的形式出现。

由于在过去的几个世纪里发生了人为的变化，一些研究人员认为这段时间标志着一个新的地质时期的开始，他们称之为人类世。这一时期的地质记录很可能与全新世早期有明显的不同。(全新世是指从最后一次冰川消融到现在的一段时间。)当然，这个术语的使用仍然是非正式的，而且颇有争议。但它确实传达了我们的物种将会对未来的观察者所读到的地球传记产生的影响。