地学里的“元”“宇”“宙”
地学里的“元”“宇”“宙”中科院物理所
2022-05-08 22:00
The following article is from 中科院地质地球所 Author 九原风
2021年10月28日，全球互联网社交媒体巨头脸书（Facebook）宣布将现有公司改名为“Meta”，公司未来发展聚焦于建立“元宇宙（Metaverse）”（图1）。元宇宙概念瞬间被引爆，各大科技公司纷纷推出技术发展规划；各路媒体推波助澜，进行铺天盖地的宣传；资本也摩拳擦掌，跃跃欲试。在过去的2021年里，“元宇宙”是一个热词。✦✦
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEViaCo6wmhWfS8dUF8f3WJic1y2X9grUKqgiaib4mWpJh1ELd2S3POSexsRpLUVYXZGVQy7Z4WsIVSDyQ/640?wx_fmt=png
▲图1 元宇宙概念图（苏中等, 2022）
元宇宙一词最早见于美国科幻作家尼尔·斯蒂芬森（Nile Stephenson）于1992年所著的小说《雪崩》（Snow crash）一书中，代表一种虚拟世界，现实世界的人们可以在元宇宙里找到自己的化身。从这个意义引申出去，今天的元宇宙是一种利用科技手段进行连接与创造、与现实世界映射和交互的虚拟世界，是一种具备新型社会体系的数字生活空间。
作为经济学术语的元宇宙，也存在于地学中。地学术语中不乏“元”、“宇”、“宙”的身影。在介绍地学中的“元”、“宇”、“宙”之前，让我们先来了解一下地质历史中特定时间间隔形成的所有地质记录（成层或者非成层岩石）的度量单位——年代地层单位以及形成这些地质记录的地质时间单位——地质年代单位。
地质年代单位从时间尺度大到小可以分为宙、代、纪、世、期、亚期，相应的年代地层单位可以分为宇、界、系、统、阶、亚阶（表1）。地球的地质历史可以分为4个宙：冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙，相对应的年代地层单位则为4个宇：冥古宇、太古宇、元古宇和显生宇。这4宙4宇正是我们今天文章的主角。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEW0COvBNnP6RibbgoUNLmcaoZDlVpswoKIGrhpnUGxOEmPIPwviatcyLicDkngyfjdkWlSY10aYtV2og/640?wx_fmt=png
▲表1 正式年代地层术语和地质年代术语(据全国地层委员会，2000)
在正式介绍主角之前，让我们先来看看地质学里最大的地质年代单位——宙（Eon）。Eon一词为Aeon的美式和澳式英语拼写。Aeon源自希腊语ὁ αἰών （ho aion）、αἰϝών （aiwon）的拉丁文转写，意为很长的时期、永世、万古。笔者经过调研发现美国地质学家H. S. Williams于1901年提出Eon这个概念来作为最长的地质年代单位（图2）。但是Eon的使用频率并不是很高，美国地质学家A. H. Sutton在1940年的著作中就指出Eon并非一个正式的地质年代单位，也有学者使用Era来作为最长的地质年代单位。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEViaCo6wmhWfS8dUF8f3WJic1Dle1iaQVwHL2A1KSUicib51ln0cSET85MBBZfqpvvlA1HZ3s7456Fd3dA/640?wx_fmt=png
▲图2 美国地质学家H. S. Williams1901年的相关著作
自20世纪50年代以来，Eon的使用越来越广泛，正式成为最大的地质年代单位。Eon最早于1962年由黄汲清先生引入我国。黄老将其音译为“伊翁”。后来尹赞勋先生借鉴我国古籍《尸子》提出的“四方上下曰宇，往古今来曰宙”和《淮南子·齐俗训》提出的“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇”等概念，指出宙可以表示无限的时间，宇表示无限的空间。宙与Eon的概念颇为相似。因此，尹老将Eon意译为宙。而Eon对应的年代地层单位Eonothem（them为后缀，意为放置的物体以及谈话的主题）则被意译为宇（图3）。自此，宙和宇作为地质年代和年代地层各自最大的单位术语，正式进入学术界。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEW0COvBNnP6RibbgoUNLmcaoI7oPN2zSa7iaCiadIXzRTLuYyx1oog8w8wOvYmWWIiaicD02uicBwS7Um3w/640?wx_fmt=png
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEW0COvBNnP6RibbgoUNLmcaoxVbacbuNuuvvNOGBTSJhHSuBZtqWoVyeiaQXN3eicib5WzWCFAkVibibbFw/640?wx_fmt=png▲ 图3 黄汲清先生1962年的相关著作及尹赞勋先生1966年的相关著作
对于漫长的地质历史，美国地质学家G. H. Chadwick根据是否有显著的化石记录将其分为两阶段,分别为Cryptozoic和Phanerozoic。其中Cryptozoic里的crypto源自希腊语κρυπτός（kryptos），意为隐藏的；zoic源自希腊语ζωνών （zoon），意为动物。Phanerozoic里的phanero源自希腊语φανερός （phaneros），意为可见的或显著的。值得一提的是，Chadwick的划分方案并没有涉及具体的地质年代单位。随着Eon概念的推广，这两个阶段也有了具体的地质年代单位，分别为Cryptozoic Eon和PhanerozoicEon。黄老最早将其分别译为隐生伊翁和显生伊翁，后来尹老将其译为隐生宙和显生宙，对应的年代地层则为隐生宇和显生宇。
后来随着越来越多前显生宙生命活动痕迹的发现，学界发现之前认为毫无生机的隐生宙已经在孕育地球的生命了。因此进入20世纪后半叶，美国地质学家P. Cloud将地质历史一分为四：原来的隐生宙从老到新分为冥古宙、太古宙和元古宙，再加上显生宙；相应的年代地层单位为冥古宇、太古宇、元古宇和显生宇。Cloud的方案后来经过修改，最终成为今天我们所见到的国际年代地层表（图4）。下面由笔者简单介绍地学里的4宙4宇。
▲图4 最新的中文版国际年代地层表（https://stratigraphy.org/ICSchart/ChronostratChart2021-10Chinese.jpg，最新的国际年代地层表已于2022年2月发布，但中文版仍未发布，故使用2021年10月的版本，下同）
冥古宙（Hadean Eon，45.6亿年至40亿年前）是地质历史的第1个宙，长达5亿多年，由Cloud于1972年命名，源自希腊语ᾍδης，即希腊神话中的冥王哈迪斯，意指地球形成之初是如何的原始。而该时期的所有地层则属于冥古宇（Hadean Eonthem）。
在冥古宙，地球一开始由尘埃与气体聚集而成，之后一直经历着长时间的复杂演变，在这个过程中，地球的温度缓慢降低。大约在45亿年前，在地球上发生了形成月球的巨型撞击事件（图5），这个事件让地球从一个全是熔融硅酸盐物质的球体转变为一个圈层分异的球体。从45亿年开始，此时的地球才真正具有了地核、地幔、地壳及大气圈和海洋等现代地球圈层，并展开了复杂的分异作用和演化。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEViaCo6wmhWfS8dUF8f3WJic1tE4d5zSCtCWMe7R5fsqnCSyrjXSWpAmjtNADHb9JickwVoD0latwZibQ/640?wx_fmt=png
▲图5 冥古宙末期的地月系统艺术复原图，远侧为原始地球，近侧为原始月球（wikipediahttps://zh.wikipedia.org/wiki/File:Earearth.png）
太古宙（Archean Eon，40亿年至25亿年前）是地质历史的第2个宙，由美国地质学家和动物学家James Dwight Dana于1872年命名，源自希腊语αρχή，意为开始、起源。太古宙自老到新分为始太古代（Eoarchean Era，40亿年至36亿年前）、古太古代（Paleoarchean Era，36亿年至32亿年前）、中太古代（Mesoarchean Era，32亿年至28亿年前）和新太古代（Neoarchean Era，28亿年至25亿年前）4个代。
相应地，太古宇（Archean Eonthem）分为始太古界（Eoarchean Erathem）、古太古界（Paleoarchean Erathem）、中太古界（Mesoarchean Erathem）和新太古界（Neoarchean Erathem）4个界（图6）。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEViaCo6wmhWfS8dUF8f3WJic1WqibowhhSicibKTBnAdSeic5StofgoYPrDMRJst6BXuicXguQtWEUbygh6w/640?wx_fmt=png▲图6 国际年代地层表中的太古宇
在太古宙，地球经过前面十多亿年（38-25亿年前）的时间，已经形成了薄而活动的原始地壳，火山-岩浆活动强烈而频繁，板块构造活动很可能是在这个时期启动（图7）；组成大陆的硅铝质地壳开始形成并不断增长，大陆很可能萌发自这个时期；地磁场在该时期形成；水圈和大气圈也颇具雏形，孕育和诞生了低级的生命，以细菌和低等蓝藻为代表的原核生物，但留下的化石记录相当较少，阻碍我们对这时期地球生物面貌的复原。太古宙，地球有着一个以甲烷为主的还原性大气圈。但是，太古宙末期（25亿年前）发生的大氧化事件却在随后的元古宙给地球送上了一个氧气丰富的氧化性大气圈。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEViaCo6wmhWfS8dUF8f3WJic1SibI6TI5IusMjUgtrl6a9Ay0GRvSiaxQoZcAnibqXBF2QC7X886f1Irnw/640?wx_fmt=png
▲图7 太古宙地球面貌艺术复原图（Tim Bertelink, 2017）
元古宙（Proterozoic Eon，25亿年至5亿3880万年前）是地质历史的第3个宙，由美国地质学家S. F. Emmons于1888年命名，其中的Protero源自希腊语Πρωτο，意为原始。元古宙自老到新分为古元古代（Paleoproterozoic Era，25亿年至16亿年前）、中元古代（Mesoproterozoic Era，16亿年至10亿年前）和新元古代（Neoproterozoic Era，10亿年至5亿3880万年前）3个代。
相应地，元古宇（Proterozoic Eonthem）分为古元古界（Paleoproterozoic Erathem）、中元古界（Mesoproterozoic Erathem）和新元古界（Neoproterozoic Erathem）3个界（图8）。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEViaCo6wmhWfS8dUF8f3WJic1l3ibaiakvI2KNBAHSBbiaLG0CJO1G4oib31EIUa6fibic4rnh5h8ALYJJtsQ/640?wx_fmt=png▲图8 国际年代地层表中的元古宇
概括而言，元古宙是地球构造体制、大气-海洋环境及生物演化转变的最主要时期，也是地球由太古宙缺氧、“非宜居”大气-海洋环境向显生宙富氧、“宜居”大气-海洋环境转变的关键阶段，故元古宙在地质历史中承上启下。元古宙的地壳活动较太古宙更为活跃，是地球的主要造山期，大陆地壳的规模进一步扩大。在元古宙，藻类和细菌开始繁盛，是原核生物向真核生物演化、单细胞原生动物到多细胞后生动物演化的重要阶段。此外，与炽热的冥古宙和太古宙不同，元古宙的地球迎来了数次大冰期，其中以新元古代成冰纪的雪球地球事件最为著名（图9）。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OKn9Wn9gIEViaCo6wmhWfS8dUF8f3WJic19NDichHOkDwicoicL7xWcB4nnV8aO8MtfkhYRpbWXGyyLXOibialBLibBVEg/640?wx_fmt=jpeg
▲图9 雪球地球示意图（https://astronomy.com/news/2019/04/the-story-of-snowball-earth)
显生宙（Phanerozoic Eon，5亿3880万年至今）是地质历史的第4个宙，自老到新分为古生代（Paleozoic Era，5亿3880万年至2亿5190万年前）、中生代（Mesozoic Era，2亿5190万年至6600年前）和新生代（Neozoic Era，6600万年至今）3个代，我们现在就生活在新生代。相应地，显生宇（Phanerozoic Eonthem）可以分为古生界（Paleozoic Erathem）、中生界（Mesozoic Erathem）和新生界（Neozoic Erathem）3个界（图10）。在显生宙，地球的地质事件和生物演化最为绚丽多彩（图11），本公众号已有专门的文章进行介绍，这里就不再介绍了。
▲图10 国际年代地层表中的显生宇
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OKn9Wn9gIEViaCo6wmhWfS8dUF8f3WJic1BI9ciawvet2R0EzAe5sJDicq1OQleWvJDYYnibppKp66pMpic8vNjUR4gg/640?wx_fmt=png
▲图11 地球生物的演化脉络（Graham et al., 2008）
参考文献（上下滑动查看）Chadwick, G.H. 1930. Subdivision of geologic time. Geological Society of America Bulletin, 41(1): 47-48.Cloud, P. 1972. A working model of the primitive earth. American Journal of Science, 272(6): 537-548.Emmons, S. F. 1888. “American Committee Reports”. International Geological Congress. 6: 71.Joseph, Graham, William, Newman, John, Stacy. 2008, The geologic time spiral—A path to the past (ver. 1.1): U.S. Geological Survey General Information Product 58, poster, 1 sheet. Available online at http://pubs.usgs.gov/gip/2008/58/Dana, J.D. 1872. Green Mountain geology. On the quartzite. American Journal of Science, 3(16): 250-257.Tim, Bertelink. 2017. Own work. https://en.wikipedia.org/wiki/Archean#/media/File:Archean.png.Williams, H.S. 1901. The discrimination of time value in geology. The Journal of Geology, 9(7): 570-585.杜新贵. 1982. 板块构造与元古宙. 地震地质译丛, (03): 59+33.黄汲清, 姜春发. 1962. 从多旋回构造运动观点初步探讨地壳发展规律. 地质学报, 42(02): 105-152.全国地层委员会. 2001. 中国地层指南及中国地层指南说明书(修订版). 北京: 地质出版社. 1-59.苏中, 安筱鹏, 高红冰. 2022. 元宇宙是新技术还是新泡沫? 大数据时代, (02): 6-15.尹赞勋. 1966. 地球历史最大阶段的划分和命名. 地质论评, 24(01): 51-52.
美编：许若橦
校对：覃华清江淑敏
页:
[1]