前寒武紀地質學

寒武紀之前的地質時期。又稱先寒武紀。前寒武紀始於最早的地質階段，結束於約5.7億年前。系這一時期形成的地層之稱，位於寒武系之下。前寒武紀曾劃分為太古代和元古代，現廣泛採用太古宙和元古宙分別表示其早、晚兩個階段，分界線為25億年前。1930年，G.H.查德威克將全部地質時期劃分為兩部分：寒武紀以前稱為隱生宙；自寒武紀始的地質時期稱顯生宙。近年來，由於軟軀體動物化石在前寒武紀地層上部被發現，並據以劃分為太古宙和元古宙，隱生宙之稱已趨於不用。

前寒武紀地層在全球有廣泛出露，大面積露頭的地區稱地盾或克拉通。主要地盾有波羅的地盾、西伯利亞地盾、中國地盾、加拿大地盾、非洲（含阿拉伯）地盾、南美地盾、澳大利亞地盾和南極洲地盾等。地盾區的太古宙岩石大部分為綠巖、花崗岩和伴有基性火山岩的沉積變質岩。20億年前的前寒武紀岩層中廣泛產出帶狀含鐵建造，其後出現陸成紅層，這種變化可能反映早期生物造氧作用的發展。冰磧岩是前寒武紀的一種特殊類型，下元古界上部，在加拿大地盾和南部非洲有明顯的冰磧岩分佈；上元古界上部、亞、歐、美、澳各大洲都有冰磧岩分佈。

現有岩石和礦物，年齡在距今35億～46億年的極少。已不能用放射性測定法確定其原始形成的時間。能夠識別的最老的沉積岩和火山岩，年齡都不超過38億年。地球表面上在距今約27億～38億年形成的沉積岩和火山岩都經過變形和變質。最老的未變質的產狀平緩的沉積岩和火山岩層序見於南非威特沃特斯蘭德盆地下部。

前寒武紀的化石稀少，但在31億年前的古老地層中已發現有原始菌、藻類的遺蹟或遺體。前寒武紀以具有浮游的微生物和無核的到有核及單細胞的原生生物微化石為特徵。約在20億年前，大氣圈才開始有氧的積累，在大氣圈有相當的氧的含量後，生物得到了發展。由藍-綠藻類衍生的底着疊層石廣佈於晚前寒武紀，而在約6.8億年前出現有軟軀體的多細胞的後生動物，稱伊迪卡拉動物羣。

對前寒武紀大部分時期的氣候條件基本上還不瞭解，但已知在其晚期（約7億年前）出現過廣泛的冰川作用。前寒武紀巖體是金屬礦產特別是鐵、鎳、金、鈾和銅等的重要來源。鐵礦牀主要為沉積型，但也可能有屬於火成成因的大型磁鐵礦體。全世界鎳產量的75%來自加拿大地盾安大略薩德伯裏的一個大型侵入體。前寒武紀巖體中產出的金超過其他地質體的總和。現在世界金產量的一半來自南部非洲的威特沃特斯蘭德的前寒武紀礫岩。其他有價值的礦產還有鉑、銀、鉛、鋅、鉻、鈷、錳、石墨、雲母和滑石等。

前寒武紀地質學研究自地球形成開始，到寒武紀以前這一階段的地球（主要是地殼）的特點及其演化的科學。是地質學的一個分支學科。

英國的A.塞奇威克於1836年首先建立了寒武紀，兩年後又提出老於寒武紀地層這一前寒武系的概念。但當時稱之為元古代。19世紀70年代北美地質學家開始進行前寒武紀地層的詳細研究。美國的J.D.丹納（1872）和S.F.埃蒙斯(1889)先後分別提出太古代和元古代這兩個時代名稱。1908年C.R.範海斯對美國和加拿大的上湖區的前寒武系進行研究，劃分為兩個地層單位，即：太古界和元古界。1955年美國地層命名委員會把它們合併為一個年代地層單位──前寒武系。後來，前寒武系二分被廣泛承認，國際前寒武地層分會自1978年起就建議把它們分為同顯生宙相併列的太古宙和元古宙兩大時代單位。

20世紀60年代起，對地球早期歷史的研究形成熱潮。地層、岩石、構造、成礦作用，生物演化、同位素年代測定等方面的研究迅速開展起來，其中早前寒武紀綠巖帶及地球早期地質演化等方面成就顯著。

前寒武紀地質學的研究內容可主要歸納為：

①地質年代的劃分。前寒武紀以25億年為界，劃分為太古宙和元古宙。其中元古宙又分為古元古代（25～16億年）、中元古代（16～10億年）和新元古代（10～6億年）3個代。在中國，全國地層委員會同意元古宙的三分法，但界線分別定在18億年和10億年。

②岩石。前寒武紀岩石地區可分為3類，即高級變質區,低級變質區和未變質區。太古宙已知最老的西格陵蘭岩石年齡為38億年，最老的西澳大利亞的鋯石年齡為42億年。太古宙地區主要是由高級變質區和低級變質區所組成。高級變質區以變質程度高的岩石和大量的花崗質侵入岩所構成。部分為下地殼特點。低級變質區下部常為超鎂鐵－鎂鐵火山岩，中部為雙峯式火山岩、上部具以濁積岩、沉積岩為代表的綠巖帶。並可被花崗岩所包圍，故又稱為花崗－綠巖帶。元古宙高級變質區大為減少，而且18～16億年以後，在許多克拉通上出現了大量未變質的蓋層岩石，並出現瞭如環斑花崗岩、斜長巖和古冰川等全球性事件。

③生物。前寒武紀化石稀少，最早的生命記錄是在西澳大利亞發現35億年的疊層石和絲狀細菌。約20億年前，大氣圈內氧的積累使生物得到發展。生物圈由原核細胞生物發展到真核細胞生物，進而出現宏觀藻類化石，以至後生動物羣。

④構造運動。太古宙時大陸地殼已大部分形成，綠巖帶比高級變質區構造環境更加活動，太古宙晚期有大規模的克拉通化。元古宙由於地殼已明顯具有剛性特徵，出現了向板塊構造轉變的構造體系，雖然後來的造山運動改造了早期板塊活動痕跡，但陸塊間的碰撞證據，在一些地盾或克拉通區仍然能夠辨認。

⑤礦產。前寒武紀具有豐富的礦產資源。元古宙時生成了一些巨大型鐵、金、銅、鉛鋅、鈾等礦牀，其儲量或產量遠大於其他地質時期。

由於前寒武岩層中缺乏生物化石，所以同位素地質年代學的研究方法十分重要；由於地球早期地殼熱流值高，岩漿活動頻繁，因此結晶岩石的研究相對突出；由於前寒武紀岩石在以後的年代裏經受了複雜的改造，恢復其原始面貌和演化過程則須要多學科的綜合研究；又由於前寒武紀時間跨度大，所以各階段的地質條件及其研究方法也相差較大。

震旦紀(前寒武紀分為太古代、元古代兩部分。元古代末期，大約從8.5-5.7億年，被命名為震旦紀)已有了明確的生物證據，在動物界出現了低等的小型具硬殼的物種，以及大量裸露的高級動物，後者就是發現於澳大利亞的埃迪卡拉動物羣。在植物方面表現為高級藻類（如紅藻、褐藻類等）的進一步繁盛，宏觀藻類也得到飛速的發展，這時的地球已徹底改變一片死寂、毫無生氣的面貌了。

震旦紀（Sinian period）是元古代最後期一個獨特的地史階段。從生物的進化看，震旦系因含有無硬殼的後生動物化石，而與不含可靠動物化石的元古界有了重要的區別；但與富含具有殼體的動物化石的寒武紀相比，震旦系所含的化石不僅種類單調、數量很少而且分佈十分有限。因此，還不能利用其中的動物化石進行有效的生物地層工作。震旦紀生物界最突出的特徵是後期出現了種類較多的無硬殼後生動物，末期又出現少量小型具有殼體的動物。高級藻類進一步繁盛，微體古植物出現了一些新類型，疊層石在震旦紀早期趨於繁盛，後期數量和種類都突然下降。再從岩石圈的構造狀況來看，震旦紀時地表上已經出現幾個大型的、相對穩定的大陸板塊，之上已經是典型的蓋層沉積，與古生界相似。因此，震旦紀可以被認為是元古代與古生代之間的一個過渡階段。

埃迪卡拉動物羣主要由類似水母類、蠕蟲類、海鰓綱的生物所組成，多保存為印痕化石，儘管它們的形態、結構都很原始，但它們被認為是20 世紀古生物學最重大的發現之一。這一發現使科學界擯棄了長期以來認為在寒武紀之前不可能出現後生動物化石的傳統觀念。所謂後生動物即是指相對於原生動物的各種多細胞動物。

通過對近20年來微古植物研究成果的總結，得出如下五個結論：(1)中國的晚前寒武紀發現了微古植物約128屬,569種,可分為四大組合。(2)長城系(14～18億年左右)主要是以細菌和藍藻為代表的原核細胞生物佔有生物界的時期,但其中已有真核細胞生物出現.另外有Chuaria狀等化石的出現和廣泛分佈。(3)薊縣系(10～14億年左右)是真核細胞中的高級藻類大量出現時期，紅藻、褐藻、藍藻相對減少。(4)青白口系(8～10億年左右)是褐藻植物相對繁盛時期，並有Chuaria及Shouhsienia等化石(5)震旦系下統(7～8億年左右)生物羣特徵與青自口系相近似，仍以藻類植物為主，有少量後生動物。震旦繫上統(6～7億年左右)動物界和植物界都有顯著變化，微古植物出現新的類型，後生植物和軟軀體的後生動物大量繁衍，末期有海綿及個別軟舌螺類等具骨骼的後生動物。寒武紀開始，有大量多門類小殼動物，植物界則有刺球藻亞羣,這表明生物界已發展到一個新階段。

在前寒武紀地質學的研究中首先碰到的問題是均變論的方法是否適用於地球早期歷史，

對中期歷史適用到什麼程度；其次，前寒武紀地殼無疑要經過垂直增長的過程，但世界上也已有良好的元古宙的地殼水平增長的例子，水平增長的板塊機制從什麼時候開始，各大陸的前寒武紀地質演化是否統一，有多大可比性。這些問題尚待進一步研究。研究趨勢是進一步開展對前寒武紀時代劃分以及重大地質事件的研究，運用地球化學和地球物理方法推測前寒武紀岩石圈的生長過程和對前寒武紀地殼的演化模式及其與成礦的關係，進而尋找特大型金屬礦牀等。

孫大中院士1932年6月20日出生於美麗的海港城市威海，幼年時全家遷居天津。解放不久，隨經商的父親到香港，就讀於香港華南中學。返回內地後入南開中學學習，在地理老師和高年級同學的影響下對地質學產生了興趣。1951年考入清華大學地質系。

孫大中院士是中國著名的前寒武紀地質和地球化學家，他為我國的前寒武紀地質事業貢獻了畢生的精力。四十多年來，中國和他個人歷盡了風雨坎坷，但他報效祖國的熱忱不變，追求科學真諦矢志不移。好學、善思、勤奮使他在前寒武紀地質科研領域多有建樹。辛勤耕耘的收穫凝聚成7部專著(合著)，約120篇中英文學術論文，並獲得1978年全國科學大會獎、國家自然科學二等獎和部級科技成果一、二、三等獎項共8次。