前寒武纪是自地球诞生到距今5.41亿年的漫长时期，包括冥古宙、太古宙、元古宙，约占地球历史的90％，在此期间，地球的大气层、海洋和陆地慢慢形成，地球从一个毫无生机的星球变成多种原始生命的家园。
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1. 冥古宙
冥古宙时期，地球上只有一些有机质，没有生命的迹象。
2. 太古宙
距今40亿年至25亿年，持续时间15亿年。2021年公布的《国际地层表》将太古宙进一步划分为始太古代、古太古代、中太古代和新太古代四个代。太古宙是地球地质史上最古老且历时较长的一个时代，是地球原始地壳、原始太气圈、水圈和生物形成和发展的最初阶段。
由于重力分异过程远不充分，地球内部结构虽然已有地壳、地幔、地核的分化，但地壳很薄，其组成成分更接近上地幔物质。构造运动、岩浆活动和火山喷发频繁而强烈。岩石普遍发生变质作用和混合岩化，至中、晚期开始形成稳定的小型花岗质陆核。这些陆块作为后来稳定陆块的核心，现在散布于各大陆中。原始大气圈以水汽、二氧化碳、硫化氢、氨、甲烷、氯化氢为主、明显缺乏氧气而二氧化碳含量远比现代高。海洋面积广阔，在地表占绝对优势，海水为酸性矿化水、但含盐量远低于现代海洋。零星的陆地灼热而荒芜，某些浅海开始出现蛋口质与核酸，后期并发展为原核细胞，构成形态简单的细菌与蓝绿藻，虽然生物圈尚未形成，但生物的出现无疑是太古宙地球发展史中最重要的事件。
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蓝细菌形成的层叠石
3. 元古宙
距今25亿年—5.41亿年，持续时间19.59亿年，分为古元古代（距今25亿年—16亿年）、中元古代（距今16亿年-10亿年）和新元古代（距今10亿年-5.41亿年)三个代。新元古代的后期即距今6.35亿年—5.41亿年，称为埃迪卡拉纪，在我国通常称为震旦纪。
元古宙曾发生多次构造运动，如我国的五台运动、吕梁运动、澄江运动、蓟县运动，北美洲的克诺勒运动、哈德逊运动、格伦维尔运动、贝尔特运动等。构造运动使太古宙陆核进一步扩大，逐渐拼接为规模较大且较稳定的原地台，并于其上形成了沉积盖层。陆壳增厚变广，最后形成了大面积的古地台。大气CO2，浓度降低，游离氧增加到目前的1/1000，即达到游离点，表明大气圈已转化为氧化环境，至少可以说已不再是一个缺氧大气圈。而氧的增多，既促进了岩石风化及沉积作用，更为生物发展奠定了物质基础。
元古宙生物进化最重要的特征是原核生物进化为真核生物，单细胞生物向多细胞生物转化，厌气生物向好氧生物转化物种数增多，植物得到第一次大发展，绿藻、轮藻、褐藻、红藻等能进行光合作用的原始低等植物大量出现。晚期并开始出现原始动物。大洋洲伊迪卡拉动物群中已有叠层石、腔肠动物、蠕虫动物与节肢动物；北美洲则有海绵。
元古宙晚期即震旦纪，由多种变质岩构成其基底的古地台已经形成，其中一部分还发育了稳定的沉积盖层，另一部分因未接受沉积而成为地盾。主要的古地台如巴西地台、非洲地台、印度地台和澳大利亚地台，构成了一个联合古陆即冈瓦纳古陆或称南方古陆，直到中生代才发生分裂。另一些古地台则包括中国地台、西伯利亚地台、俄罗斯地台、加拿大地台等。
4.早古生代
距今5.41亿年-4.19亿年，持续时间1.24亿年年。早古生代包括寒武纪、奥陶纪和志留纪三个纪。早古生代初期的大地构造轮廓与震旦纪非常相似，但加里东运动改变了一切，板块碰撞使海陆形势发生了巨大变化，从总体上说仍以海洋占优势，例如，北美洲与俄罗斯古陆间有古太平洋，俄罗斯与西伯利亚古陆间有古乌拉尔海，西伯利亚与华北古陆、塔里木古陆间有古北亚海，华北古陆与华南古陆间有秦岭海，北美洲古陆与澳大利亚古陆外侧为古太平洋，而且最重要的是北方各古陆与南方的冈瓦纳古陆间有古地中海。志留纪末的加里东运动使北美洲板块与欧洲板块对接形成劳亚古陆，古大西洋关闭，古北亚海之组成部分的祁连海消失，直地中海步受影响，全球出现海退，陆表浅海缩小，陆地面积扩大。
寒武纪及奥陶纪早、中期气候较温暖、干燥，奥陶纪晚期气转寒并出现震旦纪之后又一次大冰期，并导致全球海洋面下降。志留纪初，除高纬区外其余各地大都为千热气候故当时碳酸盐、生物礁、海相红层分布广泛。
由于海生无脊椎动物空前繁盛，地质学家称早古生代为海生无脊椎动物时代，而寒武纪又以三叶虫时代著称。作为脊椎动物的原始鱼类在奥陶纪就已出现，海生藻类在寒武纪，奥陶纪还占主要地位，到志留纪则出现了半陆生裸蕨植物。但真正引人注目的是从寒武纪开始因生物猛烈增长而形成所谓生命大爆发，科学家公认这是地球生命发展史上的重大事件，具体表现为生物数量剧增，密度变大，分布范围大大扩展，动物界出现了硬躯体物种等。
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5. 晚古生代
距今4.19亿年—2.52亿年，持续时间1.67×10°年，晚古生代包括泥盆纪、石炭纪和二叠纪。从泥盆纪开始，浅海明显向大陆转化。华力西（海西）运动使许多地槽发生强烈褶皱，同时发生岩浆侵入和火山喷发。由于乌拉尔地槽发生褶皱，欧美古陆与西伯利亚古陆合并形成了劳亚古陆，并形成了与南方的冈瓦纳古陆既互相连接又隔着古地中海南北对峙的格局。一个新的联合古陆或泛大陆出现在地球表面。
地层资料揭示，泥盆纪亚欧大陆大部、北美洲大陆大部、格陵兰、非洲北部和澳大利亚广泛发育红层和蒸发岩，表明上述地区当时正处于热带、亚热带，且气候比较于燥，而西非、南美东部及南部或发育山岳冰川，或形成大陆冰盖，则显然处于高纬环境。因此可以认为泥盆纪时，地球气候及整体自然界已表现出地域分异现象，大气中的氧含量较之早古生代亦有所增加。
晚古生代的另一重要特征是植物及脊椎动物大发展，且生物受气候影响而表现出更明显的地带性分异。泥盆纪因有以裸蕨为代表的繁盛的陆生孢子植物而被称为裸蕨时代。石炭纪、二叠纪石松类、节蕨类、种子蕨类等较高级植物取代裸蕨并形成茂密的森林，因而被称为蕨类时代。晚二叠纪裸子植物如松柏、苏铁等渐次出现。动物方面，鱼类在泥盆纪已很繁盛，仅中国就有52属，所以泥盆纪又称鱼类时代。石炭纪时鱼类的一部分适应地壳运动和海退的形势，演化为两栖类，其中的一部分更在石炭纪中晚期演化成为爬行类。
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晚古生代也发生了多次灾难性事件，如晚泥盆世因造礁生物量下降，二叠纪末羊齿植物、三叶虫、蜓类、菊石、腕足类的全部或大部灭绝等
6. 中生代
中生代包括三叠纪、侏罗纪、白垩纪，距今2.52亿年-0.66亿年，持续时间1.86亿年。构造运动剧烈而频繁是中生代的主要特征之一。晚二叠纪泛大陆在晚三叠纪重新开始分裂并延续到新生代。三叠纪、侏罗纪北大西洋开始扩张，北美洲与非洲率先分裂，形成北部的劳伦斯与亚细亚即劳亚古陆与南部的冈瓦纳古陆。侏罗纪一白垩纪间南美洲与非洲分裂，南大西洋开始扩张。非洲与印度则在侏罗纪同南极与澳大利亚分离，其间开始形成印度洋。白垩纪时北大西洋向北展宽，随着印度向东北漂移，印度洋逐渐扩大，而古地中海日益缩小。环太平洋区域构造运动尤其强烈。
造山运动普遍而强烈。欧洲有老阿尔卑斯运动，美洲有内华达运动与拉拉米运动，中国为印支运动与燕山运动。褶皱、断裂与岩浆活动极为活跃，中国大陆的基本轮廓即在此时建立。
初期气候比较炎热干燥，后期渐转温暖湿润。当时的赤道两侧各有一条干旱带，表明行星风系已经建立并对气候及自然界的地域分异产生作用。侏罗纪海域扩大，气候更湿润。白垩纪也较温暖湿润，海域比侏罗纪更广生物界变化显著，裸子植物成为最繁盛的门类，苏铁、银杏与松柏类陆生植物的发展为爬行动物提供了丰富的食物，以致爬行动物成为数量最多的脊索动物，陆地上有恐龙，海上有鱼龙和蛇颈龙，空中有翼龙。海生无脊索动物菊石也颇兴盛。因此中生代被称为恐龙时代、菊石时代或苏铁时代。三叠纪晚期，爬行类开始向哺乳类和鸟类演化，白垩纪鸟类特征已与现代鸟类接近。到白垩纪末，盛极一时的物种尤其是恐龙突然灭绝。
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7. 新生代
新生代始于距今6600百万年前，是地球地质史上最短的一个代，包括古近纪、新近纪和第四纪。古近纪旧称早第三纪或老第三纪，时代为距今6600百万年至2303百万年，并分为古新世、始新世和渐新世。新近纪旧称晚第三纪或新第三纪，始于2303百万年前而止于258百万年前，划分为中新世和上新世。第四纪约始于258×10°年前，分为更新世和全新世。
此期间海底继续扩张，澳大利亚与南极洲分离，东非发生张裂，印度与亚欧大陆碰撞，强烈的构造运动（欧洲称新阿尔卑斯运动，亚洲称喜马拉雅运动）使古地中海带即阿尔卑斯-喜马拉雅带与环太平洋带形成一系列巨大的褶皱山地，古地台也发生拱曲、断层，断陷盆地中广泛堆积红层。到新近纪全球海陆分布与现代相近似。
古近纪气候温暖而潮湿，强烈造山运动后大气环流系统发生变化，许多地方趋向于冷。青藏高原的隆起给东亚季风环流以巨大影响，华中、华南发育暖湿森林。第四纪温带与两极进一步变冷，地球再次发生大规模冰川作用并经历了多次冰期与间冰期。
被子植物空前发展，森林植被在原有针叶林基础上出现常绿阔叶林、落叶阔叶林等，从而变得多样化。新近纪初出现了以单子叶草本植物为主的草原，第四纪出现苔原。哺乳动物也空前繁盛，故新生代又称哺乳动物时代。被子植物发达促进昆虫进而鸟类的昌盛。草原扩大后，以有蹄类和啮齿类为代表的草原动物群也相应得到发展。
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然而新生代最重要的事件仍然是第四纪出现了人类，所以第四纪又称灵生代。新构造运动强烈、频繁而且普遍，是第四纪又一重要特征，表现为大洋中脊扩张，澳大利亚大陆向东北漂移，青藏高原和喜马拉雅山以前所未有的速度继续上升以致成为亚洲乃至全球气候与环境变化的重要因素等。
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