五臺疊層石和巨型核形石

張彥濤

懵懂少年時，你我都夢想著去改變世界，去過絢麗多彩的人生。但是，復(fù)雜的現(xiàn)實生活讓我們懂得，擁有理想可以是簡單而美好，想要實現(xiàn)它卻很難。正所謂大道至簡，大簡至美，處心積慮的去豐富生活往往不能達到目的，而當你一心一意的去做一件事情時，人生反而變得豐滿絢麗。大學時，一段難忘的實習經(jīng)歷讓我見識了最簡單生物壯美的生命歷程，品味到了科學工作者的人格魅力。

2013年8月底，一封來自佘老師的郵件，解救了我單調(diào)而又苦悶的暑假生活。我們“前寒武”課題小組要到五臺縣東冶鎮(zhèn)進行滹沱群的野外地質(zhì)考察。我一下子振奮起精神來，很快地整理、熟悉地質(zhì)資料后，就在太原跟佘老師及師姐、師弟匯合，一起奔赴五臺縣。

到達五臺縣，正是好時候。那時的武漢在不斷攀升的高溫中發(fā)布著一個又一個的橙色預(yù)警，而五臺縣卻是清爽宜人，我們住進一個靜謐的小山村，對將要到來的探尋之旅感到無限欣喜，只因佘老師的一句話，“這里有中國最古老的，二十億年前的疊層石”。

認知疊層石

次日清晨，翻過一處遍布灰綠色千枚巖、板巖的小山，紅彤彤的巨厚層白云巖驟然出現(xiàn)在眼前，蜿蜒千里，舒展在廣闊蔚藍的天空下，疊層石發(fā)育其中，姿態(tài)萬千。手指狀的、短柱狀的、穹隆狀的、波浪狀的……像一朵朵奇葩從容地盛開在巖石之中，泰然自若，萬世長存。那一瞬間，時間仿佛定格了，我們都靜靜地欣賞著這些“自然瑰寶”，暗自驚奇：這里在地史時期應(yīng)該是大規(guī)模的疊層石礁吧！

這些疊層石有的像苞菜，呈半球穹形；有的似一排排直立的圓柱體，一層疊著一層向上生長；有的像手指，下粗上細，頻繁分叉；有時分叉的柱體又會連在一起。它們的形態(tài)、高度、直徑常有變化，但都具有紋層狀構(gòu)造，紋層厚度不過1毫米，明暗相間，接近邊緣時紋層會變得更薄并下彎，與圍巖的界線很清晰，簡直是自然的杰作，精細的紋層由更為細小的隱晶質(zhì)白云石構(gòu)成。

“疊層石到底是巖石還是生物化石呢？”，小師弟不解地問。

佘老師回答說：“它是疊層狀構(gòu)造的微生物巖，是藍細菌生物席周期性地生長和代謝的建造物”。

“如此精巧的結(jié)構(gòu)是如何形成的呢？對于遙遠歲月過去以后的我們又有什么啟示呢？”小師弟迫不及待的追問。

“這要從它的形成過程說起，疊層石生長的基底是藍細菌生物席，藍細菌能夠利用陽光產(chǎn)生能量并釋放氧氣，是光養(yǎng)型原核生物。在其新陳代謝過程中，如果條件合適，細胞會沿著地面平行排列，并產(chǎn)生胞外聚合物（EPS），這種柔軟的粘液捕獲、粘結(jié)Ca2+、Mg2+等離子，并促使這些離子與海水中的CO32-聚合結(jié)晶而形成一層一層向著太陽“生長”的石頭。在形成EPS層后，細胞與光的響應(yīng)被阻斷，中間細胞接受的光照時間多于兩邊細胞，從而使疊層石呈中間高兩邊低穹狀隆起。像植物一樣，疊層石的“生長”受到地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期等因素的影響，因此它們的形成過程可以記錄地史時期天體的運行規(guī)律：在距今約20億年以前，地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周，地球至少要自轉(zhuǎn)460周，月球繞地球旋轉(zhuǎn)1周至少需要42天，地球自轉(zhuǎn)1周最多僅需16.05小時?！?/p>

a.含疊層石厚層白云巖；b.苞菜狀疊層石白云巖；c.紫紅色硅質(zhì)疊層石白云巖；d.柱狀、枝狀疊層石白云巖；e.大型穹狀疊層石白云巖；f.疊層石頂部截面

聽完佘老師的講解，我不禁想到：這些地球上最簡單的生命，能雕刻出這樣美麗、神奇的地質(zhì)奇觀，真是令人震驚。然而令我更為震驚的是學術(shù)界對它的評價：藍細菌的繁衍像蝴蝶效應(yīng)一樣，改變了地球的面貌。

地球早期并不寧靜美麗、風光旖旎。當?shù)厍蛘Q生約十億年后，太陽系的狂暴時期漸趨結(jié)束，密集的隕石撞擊慢慢平息，而在火山和巖漿的統(tǒng)治下，大地仍然灼熱，天空籠罩著濃煙，海洋都快要沸騰了，空氣中沒有氧氣，海洋中僅有種類和數(shù)量都非常稀少的原核生命。原始生命的演化非常緩慢，直到藍細菌出現(xiàn)，通過光合作用制造出了氧氣，地球才從這恐怖的噩夢中醒來。又經(jīng)歷了漫長的演化歷程，地球才變成現(xiàn)今一派生機勃勃的景象。

大氣圈氧氣含量上升大致可以分為三個階段，一個是從缺氧到含氧狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，這個轉(zhuǎn)變發(fā)生在距今20～24.5億年期間，就是著名的大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）。在此之前，大氣氧分壓＜10%-5%PAL（Present atmosphericlevel，PAL，指現(xiàn)代大氣氧分壓水平，2p.p.m.v.），那時古土壤未被氧化，炭質(zhì)頁巖中也沒有富集氧化還原敏感元素。相比之下，距今24.5億年之后的淺海沉積物演變?yōu)檠趸臈l帶狀赤鐵礦，富含硫酸鈣的蒸發(fā)巖，海水硫酸鹽濃度大大增加了。距今20億年到18億年之間，氧氣含量又降低到距今24.5億年之前的水平，距今18億年之后，大氣的氧分壓約為5%–18%PAL。另外一次氧化事件使大氣從較低的含氧水平（10%PAL）升到接近現(xiàn)代大氣氧氣含量水平，大致發(fā)生在距今5.42～8億年期間，該事件被命名為新元古代氧化事件（Neoproterozoic Oxidation Event，NOE）。

大氣氧濃度推測變化圖，修改自（Canf i eld, 2005）問號表示該時期的氧濃度還不確定

在這兩次大氧化事件中藍細菌扮演了十分重要的角色。它轉(zhuǎn)化太陽能，在代謝過程中固定CO2，釋放O2，并產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使地球表生系統(tǒng)發(fā)生了非常重要的變革。一方面，氧氣作為一種強氧化劑，促進了大陸風化和物質(zhì)（包括生物必須營養(yǎng)元素C、N、P、S等）循環(huán)速率加快；另一方面，氧氣作為一種良好的電子受體對生物的新陳代謝非常重要，氧氣急劇增加為真核生物的出現(xiàn)和生物的多細胞化奠定了基礎(chǔ)。偉大的勝利屬于不懈努力的勇士，藍細菌在30億年的日日夜夜中毫無畏懼，使出全力，為千千萬萬的生命吹響了黎明的號角，翻開了時代的新篇章。

一路上，我們像放牧山野的小羊一樣歡呼雀躍，在佘老師的帶領(lǐng)下攀爬在溝壑縱橫的山坡，探尋一處處華麗的“自然瑰寶”。自古生命不能永駐，一切的生命，只要存在就要面臨與環(huán)境斗爭的命運，即使是創(chuàng)造奇跡的勇士，終也逃不脫大自然的選擇規(guī)律，經(jīng)歷由盛而衰的過程。佘老師講道：“最早的疊層石發(fā)現(xiàn)在距今35億年前的太古宙地層中，那時的地球有且只有少量的原核生物，元古宙（距今25億年前～7億年前）疊層石發(fā)育得最為廣泛，現(xiàn)在各位見到的滹沱群中的奇景就是冰山一角，后生動物出現(xiàn)后疊層石驟然衰退，現(xiàn)今只有澳大利亞、中美洲、中東等地一些特殊的環(huán)境中才能找到它們的蹤跡”。

澳大利亞現(xiàn)代疊層石

午后的陽光和煦而溫暖，我們在山體的背面吃起午餐來，有饅頭、咸菜，還有牛奶、火腿腸，午餐雖然簡單，但是吃得很愜意。我感受著陽光、空氣和翠綠大地的熱情，這樣快樂充實的日子正是我所熱愛的。餐后，我們又走了很遠的路，我記得有一處小山梁，視野開闊，周圍的一切都像在腳下，田野里的土豆花，油菜花，早已經(jīng)爭相開放了，胡麻花有兩尺多高，多么美妙的風景！后來天色暗淡下來，我們搭乘了一輛路過的皮卡車，路上都是石子，皮卡車把我們幾個盛在車斗子里，用力的顛，好像要顛到散架才肯罷休，我們也隨著它跳，任臉上的汗珠被風吹干，大家擠在一起，咯咯笑著結(jié)束了第一天的探險。

奇遇“核形石”

次日早晨，下著蒙蒙細雨，我們一行五人爬上一座光禿禿的山，山體下部是花崗質(zhì)巖石，上部是白云質(zhì)巖石，一叢叢、一簇簇的荒草、青苔斑斑點點地覆蓋在山體上面，低矮的灌木也極少，大部分巖石裸露著，山上沒有路，巖石有點濕滑。在細雨中登頂時，空氣中彌漫著水霧，夾帶著青草的芳香，自然的風光和泥土的氣息是那樣沁人心脾，我的胸中無比舒暢。

雨過天晴后，絲絲清風吹拂面頰分外愜意，一路上都有驚奇，都有樂趣。走幾步，就會看到一個圓突突的圈層狀石頭——核形石。我以前見過5厘米大小的，像這個都快50厘米了，尺寸差距太大了，沒走幾步又看到一個差不多大的，等走完這段羊腸小路，來到一塊開闊地帶時，這里有一塊橫截面近5米的巨型核形石！這樣大的巨型核形石，究竟是怎樣在遼闊的海洋里生長形成的？又是怎樣經(jīng)過幾十億年之后，完好無恙地呈現(xiàn)在世人面前的，一切都太過神奇，我們都想弄清楚它的傳奇經(jīng)歷。師弟小楊對它的成因饒有興致，佘老師笑容親切地說，那么你就以此作為畢業(yè)論文的課題吧！

我們仔細觀察發(fā)現(xiàn)，該巨型核形石發(fā)育于滹沱群大石嶺組神仙垴段，橫斷面為橢圓形，具同心圈層結(jié)構(gòu)，成分為微晶白云巖。長軸長達4.5米，短軸長約2.1米。橫斷面可見明暗相間紋層，長軸方向紋層近水平，兩轉(zhuǎn)折端處紋層多呈裙邊狀、波狀。神仙垴段地層可見多個核形石出露，長軸直徑2～4米不等，最小不足1米，整體規(guī)模較大。

滹沱群大石嶺組神仙垴段巨型核形石

野外合影

核形石是疊層石嗎？我們心中充滿困惑。佘老師說：“核形石可歸類為特殊形態(tài)的疊層石，即球狀疊層石。同錐狀疊層石一樣，它也是粘附式的、紋層狀的、石化了的沉積生長構(gòu)造，這種構(gòu)造從一個受到局限的初生面或一個生長點開始堆積”。核形石就是從一個生長點開始生長形成的，小楊很想找到它的核心，可惜核心位置已經(jīng)被完完全全地白云巖化了。

歡樂的時光總是過得飛快，那個明媚的清晨與滹沱群山告別后，我們結(jié)束了此次野外考察，然后乘著南下的列車，奔往正值酷暑的武漢。在之后的日子里，我們幾乎用了科學界現(xiàn)有的一切手段來研究疊層石，如磨制探針薄片，化學成分分析，C-O同位素測試，硫同位素分析，掃描電鏡觀察……通過疊層石探究古元古代地球的奧秘。在這個過程中，佘老師以身作則，教會了我們科研的兩件事，一件是認真，一件是求實。

層層又疊疊，多少個年頭的積累才能成就它出露地表時的壯美，就像科研，多少代師生的共同努力，才能打開龐雜地史的奧妙之門。疊層石和核形石雖然有相似的紋層結(jié)構(gòu)，卻有各自獨特的個性，就像我們，出生各異，稟賦不同，卻在同一個領(lǐng)域奮斗，以我們義往無前的勇氣，和腳踏實地的精神，給這個大千世界揮上色彩斑斕的一筆。