114 年 國立臺灣大學地質科學系及海洋研究所聯合招生《地球歷史》

Biostratigraphy，生物地層學，是地質學的一個分支，主要利用生物化石在岩層中的出現與演替規律來劃分地層、確定地層的相對年代，並研究地層的形成過程與古地理環境。其基本原理是化石記錄了地球生命演化的歷史，不同時期的生物具有其獨特性，因此特定化石的出現或消失可作為地層年代的指標。

核心觀念：

1. 化石準則 (Fossil Succession)：生物體以一定的順序演化和滅絕，因此不同時期的岩層中會包含不同的化石組合。

Extinction，滅絕，是指一個物種（或更高級別的分類群）的全部個體都死亡，從而終止其存在的現象。滅絕是生命演化過程中一個自然且持續發生的事件，但地球歷史上也曾發生過大規模的滅絕事件（Mass Extinction），這些事件在短時間內導致了大量物種的消失。

核心觀念：

1. 物種滅絕：是物種生命週期結束的終點，是演化的一部分。
2. 背景滅絕率 (Background Extinction Rate)：指在沒有特殊事件影響下，物種自然發生的滅絕速率，通常較低。

Carbonate compensation depth (CCD)，碳酸鹽補償深度，是指海洋中溶解碳酸鈣（$CaCO_3$）的速度等於碳酸鹽沉澱的速度的深度。在這個深度以上，沉積在海底的碳酸鈣沉澱物（如浮游有孔蟲、顆石藻等遺骸）可以保存下來；而在 CCD 以下，海水中的碳酸鈣飽和度降低，溶解作用開始大於沉澱作用，因此沉積在海底的碳酸鈣沉澱物會被溶解，無法形成碳酸鹽岩。

核心觀念：

1. 碳酸鈣溶解度：碳酸鈣在深海中的溶解度比淺海高。
2. 壓力與溫度：隨著水深增加，壓力增大，溫度降低，這兩個因素都會增加碳酸鈣的溶解度。

Pangaea super continent，盤古大陸，是指在中生代（約 3.35 億至 1.75 億年前）存在的一個超級大陸。它是由當時地球上幾乎所有的陸塊聚集而成，被稱為「泛大陸」或「全大陸」。盤古大陸的形成和分裂是地球構造演化史上的一個重要階段。

核心觀念：

1. 超級大陸循環 (Supercontinent Cycle)：地球歷史上週期性地出現將大部分陸塊匯聚成超級大陸的過程。盤古大陸是其中一個最著名且研究最深入的例子。
2. 大陸漂移 (Continental Drift)：盤古大陸並非靜止不動，而是經歷了形成、存在和最終分裂解體的過程，其陸塊移動構成了現代大陸分佈的基礎。
3. 地質證據：支持盤古大陸存在的證據包括：

Great Oxidation Event (GOE)，大氧化事件，是指在地球早期（約 24.5 億至 20.5 億年前的古元古代）發生的一次全球性大氣和海洋氧氣濃度顯著增加的事件。在此之前，地球大氣幾乎沒有自由氧氣。GOE 的發生被認為是海洋中藍綠菌（cyanobacteria）通過光合作用產生氧氣，並逐漸耗盡溶解在海水中的還原性物質（如鐵離子）後，才開始釋放到大氣中。

核心觀念：

1. 光合作用的普及：藍綠菌（或稱藍藻）的出現和繁盛是產生大量氧氣的關鍵。
2. 氧氣的反應與沉積：早期產生的氧氣首先與海水中的還原性物質反應，形成氧化鐵，沉積在海底，形成了帶狀鐵層（Banded Iron Formations, BIFs）。

Milankovitch cycles，米蘭科維奇循環，是指地球繞太陽運行軌道的週期性變化，這些變化會影響到達地球的太陽輻射量（太陽輻照度）的空間和時間分佈，被認為是導致地球進入冰期和間冰期循環的主要長期驅動因素之一。這些循環是由塞爾維亞的氣象學家米盧廷·米蘭科維奇（Milutin Milanković）在 20 世紀初提出並計算的。

主要的循環包括：

1. 偏心率 (Eccentricity)：地球軌道相對於太陽的橢圓程度的變化。週期約為 10 萬年和 40 萬年。當軌道接近圓形時，地球接收到的太陽輻射差異較小；當軌道較橢圓時，地球在近日點和遠日點接收到的輻射差異較大。

Proterozoic，元古宙，是地質年代上的一個宙（eon），緊接在前寒武紀的太古宙（Archean）之後，開始於約 25 億年前，結束於約 5.41 億年前（顯生宙的開始）。元古宙是地球歷史上一個漫長而重要的時期，見證了許多關鍵的地球系統變化和生命演化。

主要特徵與事件：

1. 大氧化事件 (Great Oxidation Event, GOE)：雖然 GOE 的高峰在古元古代早期（約 24.5-20.5 億年前），但其影響延續並塑造了整個元古宙的環境。
2. 大陸形成與穩定：早期大陸持續增長和聚合，形成了較大的克拉通（cratons），並出現了超級大陸的形成和分裂的跡象（如哥倫比亞 Columbia、羅迪尼亞 Rodinia）。
3. 生命演化：

Tethys Seaway，特提斯海，是一個曾經存在於歐亞大陸與非洲-阿拉伯-印度板塊之間的古海域。它在古生代晚期和中生代時期扮演了重要的地理角色，其存在和消失與大陸的聚合（如盤古大陸的形成）和分裂（如阿爾卑斯造山運動）密切相關。

核心觀念：

1. 地理位置：位於現今歐洲南部、北非、中東、中亞和南亞一帶。
2. 時間跨度：從古生代晚期（約 2.5 億年前）開始形成，在中生代（約 2.5 億至 6600 萬年前）達到最盛，並在新生代（約 6600 萬年前至今）逐漸萎縮、閉合，最終被陸地和山脈（如阿爾卑斯山、喜馬拉雅山）取代。
3. 構造演化：
   • 形成：與盤古大陸的形成有關，特提斯海是盤古大陸南部邊緣的一個狹長海盆。

點斷平衡 (punctuated equilibrium) 與漸變論 (gradualism) 是描述生物物種演化速率與模式的兩種主要理論模型。它們的主要差異在於演化發生的時間尺度和方式。

漸變論 (Gradualism)

• 核心觀念：物種的演化是一個緩慢、連續、穩定且累積性的過程。微小的遺傳變異在長時間內逐漸累積，最終導致物種的形態發生顯著變化，甚至形成新物種。
• 演化速率：非常緩慢，在化石記錄中不易察覺，因為變化累積需要極長的時
• 化石記錄的預期：預期會看到許多中間過渡類型（transitional forms），且物種的形態變化在整個地質歷史中是連續的。
• 驅動因素：通常認為是持續的環境壓力或適應性演化，透過自然選擇不斷篩選有利變異。

點斷平衡 (Punctuated Equilibrium)

• 核心觀念：物種在大部分時間內處於相對穩定的狀態（停滯期，stasis），演化上的顯著變化僅發生在相對短暫的地質時期，且通常與物種形成（speciation）事件緊密相關。這種變化是「爆發式」的，而不是連續的。
• 演化速率：演化變化主要發生在短暫的時期內，與漫長的穩定期交替出現。
• 化石記錄的預期：在化石記錄中，物種出現時形態相對固定，然後在一段時間後被另一種新形態的物種取代，中間的過渡類型可能較少或難以發現。
• 驅動因素：通常與快速的環境變遷、地理隔離導致的物種形成事件，或生態位機會的出現有關。

主要差異比較表

阿爾弗雷德·韋格納 (Alfred Wegener) 在 1912 年提出的「大陸漂移學說」（Continental Drift Theory）是板塊構造學說的前身，他提出地球上的大陸並非固定不動，而是曾經聚集在一起，然後逐漸漂移到現在的位置。儘管當時他的學說因缺乏動力機制而受到質疑，但他提出的多項證據至今仍被認為是強而有力的支持。

以下為韋格納學說的主要支持證據：

1. 海岸線的吻合性 (Fit of the Continents)

   • 描述：南美洲東海岸與非洲西海岸的輪廓，尤其是大陸棚（大陸邊緣的淺水區域）的邊緣，能夠極其精確地吻合，彷彿是拼圖的兩塊。
   • 意義：暗示這些大陸曾經是連接在一起的。

2. 古生物學證據 (Paleontological Evidence)

   • 描述：在現今地理上分隔遙遠的大陸上，發現了相同種類的陸生（非海洋生物）化石，且這些生物的生存能力無法跨越廣闊的海洋。
   • 例如：
     • 舌羊齒植物 (Glossopteris)：一種生長於石炭紀到二疊紀的陸生蕨類植物，其化石在南美洲、非洲、印度、澳洲和南極洲都有發現。這種植物的種子較大且無法隨風散播到遙遠的海洋彼岸。
     • 爬行動物 (Reptiles)：如 Lystrosaurus（一種生活在淡水或陸地的爬行動物）的化石在非洲、印度和南極洲的同一地層中被發現。另一種爬行動物 Cynognathus（一種犬形爬行動物）的化石則在南美洲和非洲發現。
   • 意義：這些生物的地理分佈只能通過大陸曾經相連來解釋。

地球的溫室效應是地球大氣中某些氣體（溫室氣體）吸收並再輻射紅外線，從而加熱地球表面的現象。這些溫室氣體的濃度和分佈受到多種因素的控制，這些因素可以分為自然因素和人為因素。

一、 主要溫室氣體及其來源

首先，我們需要了解主要的溫室氣體：

• 水蒸氣 ($H_2O$)：是最主要的溫室氣體，其濃度受溫度影響最大，是一個正回饋機制。
• 二氧化碳 ($CO_2$)：來自碳循環的各個環節。
• 甲烷 ($CH_4$)：來自有機物分解、化石燃料開採等。
• 氧化亞氮 ($N_2O$)：來自土壤微生物活動、燃燒等。
• 臭氧 ($O_3$)：在對流層中是溫室氣體，在平流層中則阻擋紫外線。
• 鹵化碳（如氟氯碳化物, CFCs）：人為製造的氣體。

二、 溫室氣體的控制因素

1. 碳循環 (Carbon Cycle)：

   • 自然因素：
     • 火山活動：釋放大量 $CO_2$。
     • 海洋吸收與釋放：海洋是巨大的碳匯，吸收大氣中的 $CO_2$；同時，海洋溫度變化、生物活動（如浮游生物的光合作用和呼吸作用）也會影響 $CO_2$ 的交換。
     • 陸地生態系統：植物通過光合作用吸收 $CO_2$，通過呼吸作用釋放 $CO_2$；有機物分解也會釋放 $CO_2$ 和 $CH_4$。
     • 岩石風化：矽酸鹽岩石風化消耗大氣中的 $CO_2$。
   • 人為因素：
     • 化石燃料燃燒：釋放巨量的 $CO_2$。
     • 森林砍伐與土地利用變化：減少了植物吸收 $CO_2$ 的能力，並可能通過有機物分解釋放 $CO_2$。

2. 甲烷循環 (Methane Cycle)：

   • 自然因素：
     • 濕地、沼澤：微生物厭氧分解有機物釋放 $CH_4$。
     • 白蟻：消化食物產生 $CH_4$。
     • 海洋和湖泊：沉積物中的微生物活動。
   • 人為因素：

造礁生物是指能夠分泌碳酸鈣骨骼或結構，並在長期累積過程中形成珊瑚礁等大型碳酸鹽結構的生物。不同地質時代，主要的造礁生物類群會有所變化，這反映了當時的海洋環境和生物演化。

一、 古生代 (Paleozoic Era, 約 5.41 億至 2.52 億年前)

古生代主要有以下幾類重要的造礁生物：

1. 珊瑚 (Corals)：

   • 四射珊瑚 (Rugose corals) 和 床板珊瑚 (Tabulate corals)：這兩類已滅絕的珊瑚在志留紀至二疊紀是重要的造礁者，特別是床板珊瑚，常形成大規模的管狀或蜂巢狀結構。
   • 意義：構成了古生代早期的許多礁體。

2. 腕足類 (Brachiopods)：

   • 描述：雖然不是典型的「珊瑚礁」，但某些種類的腕足類（如石燕，Productids）在某些時期（如泥盆紀）數量極其豐富，並能形成疊加的殼體，在一定程度上也參與了礁體的構成。
   • 意義：是古生代重要的海洋底棲生物。

3. 苔蘚蟲 (Bryozoans)：

   • 描述：這類小型的濾食性無脊椎動物在古生代晚期開始變得重要，它們的鈣質外骨骼可以形成網狀或板狀結構，參與礁體的建造。

4. 鈣質藻類 (Calcareous Algae)：

   • 描述：如藍綠藻（Cyanobacteria）和某些綠藻，在古生代早期就已存在，並能分泌碳酸鈣，對淺水礁的形成有貢獻。

二、 中生代 (Mesozoic Era, 約 2.52 億至 0.66 億年前)

中生代是現代珊瑚礁開始發展的關鍵時期。

1. 珊瑚 (Corals)：

   • 石珊瑚 (Scleractinian corals)：這是現代珊瑚礁的主要造礁者，它們在中生代三疊紀時期出現，並逐漸取代了古生代的四射珊瑚和床板珊瑚。它們分泌的碳酸鈣骨骼形成了今日見到的各種形態的珊瑚礁。
   • 意義：石珊瑚的出現標誌著現代珊瑚礁生態系統的開端。

2. 鈣質藻類 (Calcareous Algae)：

   • 綠藻 (Green algae) 和 紅藻 (Red algae)：例如，某些綠藻（如 Dasycladales）和紅藻（如 Corallinaceae）在中生代非常繁盛，它們分泌的碳酸鈣對礁體的膠結和建造起到了重要作用。

岡瓦那大陸（Gondwana）的裂解和新生代南大洋（Southern Ocean）的形成是地球歷史上兩個重大的構造與地理變遷事件，它們對地球的氣候和生物演化產生了深遠且複雜的影響。

一、 岡瓦那大陸裂解 (Gondwana Breakup)

岡瓦那大陸是一個超級大陸，存在於古生代晚期至中生代。其裂解過程始於侏羅紀，持續進行，最終形成了現今的南美洲、非洲、印度、澳洲和南極洲。

• 氣候影響：

  • 大陸氣候的改變：大陸內陸地區的氣候變得更加極端（夏季更熱，冬季更冷），因為失去了海洋的調節作用。
  • 洋流系統的重塑：隨著大陸分離，廣闊的海洋盆地形成，新的洋流系統開始建立，這影響了全球熱量的重新分配。例如，印度板塊在向北漂移的過程中，曾開闢了新的海洋通道。
  • 全球平均溫度變化：大陸裂解和海平面變化會影響地球的碳循環和氣候反饋，可能導致長期性的溫度趨勢變化。

• 生物演化影響：

  • 生物地理隔離：大陸的分裂導致原先連接的生物群體被分隔開來，成為獨立演化的種群，這促進了新物種的形成和生物地理分佈的差異化（例如，澳洲有袋動物的獨特演化）。
  • 生態位的創造：新的海洋盆地和大陸邊緣創造了新的棲息地和生態位，為生物的演化提供了機會。
  • 物種滅絕與遷徙：某些物種可能因無法適應改變的環境或地理屏障而滅絕，而另一些則可能通過新的聯繫或機會進行遷徙。

二、 新生代南大洋 (Southern Ocean) 的形成

南大洋的形成是一個相對更晚近且持續的過程，與南極洲與其他大陸（特別是澳洲和南美洲）的分離密切相關。關鍵的事件包括：

1. 南極洲與澳洲的分離 (約 8000 萬至 5000 萬年前)：澳洲向北漂移，在南極洲和澳洲之間開闢了塔斯曼海（Tasman Sea）等通道。

三角洲是河流將沉積物帶到入海口沉積而形成的陸地變形地貌。其沉積序列能夠清晰地展示岩性地層（Lithostratigraphy，根據岩石性質劃分的地層）與年代地層（Chronostratigraphy，根據時間和地質年代劃分的地層）之間的關係，特別是反映了海平面變化和沉積環境的演變。

一、 三角洲的沉積環境與岩性特徵

三角洲的沉積環境從河流端向海洋端，依次可以劃分為：

1. 河流相 (Fluvial Facies)：位於三角洲頂部，靠近陸地。沉積物主要是粗顆粒的砂、礫岩，常有斜交層理，反映河流的搬運和堆積作用。
2. 三角洲平原相 (Delta Plain Facies)：位於河流相和三角洲前緣之間。包括河道、澇原、沼澤等環境。沉積物多為細砂、粉砂、泥岩，可能含有有機質。
3. 三角洲前緣相 (Delta Front Facies)：位於三角洲的最前端，靠近海洋。沉積物主要是細砂、粉砂、泥岩，可能含有貝殼、珊瑚等海洋生物遺骸，具有が層理、波痕等淺海或近岸沉積構造。
4. 前三角洲相 (Prodelta Facies)：最靠近海洋、水深較深處。沉積物主要是細泥和黏土，非常細，可能含有浮游生物遺骸。

二、 三角洲沉積序列與海平面變化

海平面的相對升降是影響三角洲沉積序列的關鍵因素。

1. 海平面上升 (Transgression)：

   • 過程：當海平面上升時，海岸線向陸地方向推進。原本位於陸地上的河流會向後退縮，其沉積區也隨之向陸地移動。
   • 沉積序列：在三角洲的垂直沉積序列中，會呈現從下往上，沉積環境由深變淺的現象，即從前三角洲相（泥岩）向上疊置三角洲前緣相（細砂泥岩）、三角洲平原相（粉砂細砂），甚至河流相（砂礫岩）。這被稱為海進序列 (Transgressive Sequence)。
   • 岩性與年代關係：下部的岩性（如泥岩）代表較早的時期，上部的岩性（如砂岩）代表較晚的時期。在這個過程中，海洋覆蓋了更多的陸地，年代地層也隨之向陸地方向推進。

2. 海平面下降 (Regression)：

   • 過程：當海平面下降時，海岸線向海洋方向退縮。河流的入海口及其沉積區會向前推進。