跟著地質(zhì)學(xué)家走讀西山（一） 揭秘雪球事件與生命大爆發(fā)

編者按：如果你是一個地質(zhì)迷，你一定會知道“北京西山”。北京境內(nèi)的西部山區(qū)統(tǒng)稱北京西山，是太行山的余脈。北京西山是中國現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的誕生地，被譽(yù)為中國的地學(xué)搖籃。2020年恰逢中國地質(zhì)事業(yè)的開篇之作——《北京西山地質(zhì)志》正式出版100周年?！吨R就是力量》雜志編輯部聯(lián)合中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所研究員、自然資源部首席科學(xué)傳播專家蘇德辰老師為大家精心推出了地質(zhì)科考研學(xué)課程——跟著地質(zhì)學(xué)家探秘地球課。千里之行，始于足下，就讓我們跟隨蘇老師的腳步，沿著109國道和108國道，一起走讀西山，探索地球奧秘。

北京西山擁有異常豐富的地質(zhì)現(xiàn)象，是中國地質(zhì)學(xué)的發(fā)源地。1920年，由中國人繪制、撰寫的第一份中文地質(zhì)報告就誕生于北京西山。100多年來，成千上萬的地質(zhì)工作者在北京西山進(jìn)行地質(zhì)考察或?qū)嵙?xí)，因此被稱為中國地質(zhì)的搖籃。而丁家灘-下葦?shù)橹g的地層是北京西山沉積學(xué)現(xiàn)象最集中、又較容易到達(dá)的路線，在中國地學(xué)界久負(fù)盛名，許多地質(zhì)迷走過十幾遍甚至上百遍（圖1）。

圖 1 交通示意圖

兩個古村落隱藏著數(shù)億年的地球史

丁家灘和下葦?shù)槎际情T頭溝區(qū)著名的古村落，這里民風(fēng)古樸，景色優(yōu)美。兩村之間的直線距離才2千米，沿著蜿蜒的永定河谷來走的話，相距也不足5千米。表面上看，兩村之間的人文歷史相似，風(fēng)景地貌相同。但是，連接兩村的層層巖石之間的年齡差卻超過上億年。一般的游客往往只注意到了永定河谷兩側(cè)峰巒疊障的美景，地質(zhì)學(xué)家卻在這些巖石之間尋找著經(jīng)典的地質(zhì)學(xué)現(xiàn)象以及隱藏在巖石中的各種線索，用來了解這數(shù)億年間的地球奧秘。

據(jù)已有資料記載，下葦?shù)榇逯苓叾嗍蔷嘟?億年以前的元古代巖石。今天，我們先從下葦?shù)榇鍠|1000米的一處陡崖講起。

野外考察中的地質(zhì)學(xué)家

地球上每個人都有一個名字，這樣我們才能分清彼此。類似的道理，地球上的巖石也要有名字。

圖3中陡崖底邊畫了一條白色虛線，虛線左下方的巖石形成于8億年以前的海洋環(huán)境，最接近白線的巖層形成時代與天津薊縣景兒峪村附近的巖石相同，1934年被地質(zhì)學(xué)家命名為景兒峪組，8億年在地球歷史上屬于新元古代，所以照片上標(biāo)注為新元古代景兒峪組。最接近白色虛線右側(cè)的巖石以北京地區(qū)的昌平最為典型，因此稱為昌平組，此處昌平組的巖石從成分上屬于白云巖，所以在照片注釋中稱其為昌平組白云巖。

圖3中的地質(zhì)學(xué)家為什么這么興奮？原來這里是兩個不同時代的地層相遇點(diǎn)，界線兩側(cè)的巖石年齡相差2億多年！我們平時只有在科幻片或荒誕劇中才能看到的時空穿越，現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)你到了這樣的地方，只要踏上一只腳，就可一步跨越億萬年。是不是非常神奇？

知識鏈接

地質(zhì)學(xué)家將上下巖層彼此平行，中間又缺失了很長時間沉積紀(jì)錄的接觸面稱為“平行不整合”。寒武紀(jì)昌平組與新元古代景兒峪組之間的這個不整合在華北地區(qū)普遍存在，是最重要的不整合之一。

雪球事件帶來的滄桑巨變

在距今8億年左右的時候，地球表面的溫度突然降低，從兩極到赤道，幾乎所有海洋、湖泊的水體凝結(jié)成冰，地球變成了冰雪皚皚的雪球（Snowball Earth），只有少量的液態(tài)水殘留在大洋深處。大面積白色冰雪把更多的陽光反射回太空，使地球表面溫度越來越低，只有零星噴發(fā)的火山和太陽的照射才阻止了地球表面溫度的無限下降。這種狀況從距今8億年左右一直持續(xù)到距今5.5億年。后來，地球上的冰雪因為大量的火山活動重新融化，表面溫度才迅速回升。地質(zhì)學(xué)家把這段持續(xù)了2億多年的特殊過程稱為雪球事件。在多個類似的雪球事件中，距今8億年至5.5億年之間的這次地球事件從規(guī)模和生命演化歷史上都是影響最大的。華北大部分地區(qū)因為雪球事件而抬升成陸地，也因此缺失這個時期的沉積物。

北京西山饅頭組的紫紅色頁巖（這些一片片堆疊在一起的紫紅色石頭像不像一頁頁書？頁巖就是這樣得名的?。?/p>

雪球事件后，壓抑了2億多年的生命開始在地球上爆發(fā)。在距今5.4億年左右，原始海洋中突然涌現(xiàn)出大量的生物，特別是出現(xiàn)了門類眾多的無脊椎動物，它們像爆炸波一樣迅速占領(lǐng)了地球上所有的海洋環(huán)境。在此后沉積形成的地層中，才留有多種生物化石紀(jì)錄。這次生命大爆發(fā)的原因至今還是未解之迷，但它把地球的演化史分成了兩個截然不同的時代，在這次生命大爆發(fā)前的地層中很少或沒有生物化石，因此稱為隱生宙，而大爆發(fā)之后的地層中生物遺跡相對明顯，稱為顯生宙。

知識鏈接

地球已有46億歲，要想仔細(xì)描述和研究不同時間發(fā)生的事情，顯然需要把地球的歷史細(xì)化。所以，地質(zhì)學(xué)家又把5.4億年歷史的顯生宙分成3個“代”，每個代又進(jìn)一步細(xì)分成多個“紀(jì)”。生命大爆發(fā)后的海洋生物繁盛，距今5.4億至4.85億年之間沉積形成的巖石在英國的威爾士（Wales）最典型，生物化石最豐富，因此地質(zhì)史上顯生宙以來第一個“紀(jì)”的名字就以Wales來命名，稱為寒武紀(jì)（Cambrian Period）。同學(xué)們會不會奇怪，威爾士的英文是Wales，而寒武紀(jì)的名字是Cambrian，這與命名地的名字差得太多了吧？原來，Wales的拉丁文名字是Cambria，在正式的英文地質(zhì)文獻(xiàn)中，地名是用拉丁文來命名的。

透過地質(zhì)現(xiàn)象來推演地球時代

我們再把話題拉回到北京西山。雪球事件之前，華北大部分地區(qū)是海洋環(huán)境，并且已經(jīng)沉積了幾千米的地層。雪球事件使海水退卻，地球歷史仿佛也被凍結(jié)了，兩億多年的時間內(nèi)，在華北留下的巖石紀(jì)錄很少。雪球地球融化之后，海洋重新復(fù)活，當(dāng)時的華北又重新被海水淹沒，但是這個過程不是瞬間完成的，在最初的大約幾百萬年時間內(nèi)，在北京地區(qū)沉積了50多米厚的石灰?guī)r或白云巖。這套地層在昌平北最典型，并且地質(zhì)學(xué)家張文佑還在其中發(fā)現(xiàn)了三葉蟲化石，因此地質(zhì)學(xué)家就把與昌平龍山同一時期形成的巖石統(tǒng)稱為昌平組。

昌平組石灰?guī)r沉積后不久，海洋環(huán)境發(fā)生了比較急劇的變化，海洋中沉積的巖石變成了非常細(xì)膩的紫紅色泥質(zhì)巖，中間夾著幾層淡黃綠色的白云巖。根據(jù)現(xiàn)代的研究結(jié)果，這套以紫紅色泥巖為主的巖石是在炎熱干燥的潮間帶環(huán)境下形成的，在北京西山的厚度約為130米。華北許多地方都可以見到，但是不同地區(qū)的巖石形成時間和沉積特征并不完全相同。最早對這套紅色巖石進(jìn)行系統(tǒng)研究的地點(diǎn)位于山東省張夏鎮(zhèn)的饅頭山，所以得名饅頭組。在北京西山，這套以紫紅色泥質(zhì)巖為主的地層仍然以饅頭組命名，但根據(jù)三葉蟲化石等資料，北京地區(qū)的饅頭組形成時間晚于山東的饅頭組。

張夏組的鮞?；?guī)r和泥晶灰?guī)r 注意：下半部分比較細(xì)致的是泥晶灰?guī)r，年齡相對較老;上半部分的鮞?；?guī)r沉積在后，年齡較新。請仔細(xì)觀察上下巖石之間的接觸線（紅色箭頭），是不是呈凹凸?fàn)罱佑|，因與兩塊面料之間的縫合線相似，而稱為“縫合線構(gòu)造

饅頭組沉積之后，海洋的環(huán)境又發(fā)生了變化，此時的北京西山主要在幾米至幾十米深且變動頻繁的海水下面，沉積了一套220米厚，以石灰?guī)r為主的地層，期間夾少量薄層的泥質(zhì)巖和粉砂巖。石灰?guī)r中除了三葉蟲化石外，特別常見的是一些直徑不到1毫米的粒狀物質(zhì)，密密麻麻堆積在一起，特別像魚卵，稱為鮞粒。相應(yīng)地這些主要由鮞粒構(gòu)成的石灰?guī)r被稱為鮞?；?guī)r。寒武紀(jì)時期這套以鮞?；?guī)r為主的地層在山東張夏最先被研究和命名，因此，北京西山的這套地層也稱為張夏組。

中厚層石灰?guī)r與薄層粉砂巖重復(fù)性沉積構(gòu)成的沉積韻律

圖6 中，野外常常見到數(shù)十厘米厚的石灰?guī)r與泥質(zhì)巖間隔出現(xiàn)，有時規(guī)律性特別明顯，而其成因正是海洋環(huán)境呈周期性變化所形成的韻律，周期性的環(huán)境變化使海平面產(chǎn)生規(guī)律性升降，海洋沉積物也隨之發(fā)生規(guī)律性交替變化。這種周期性的變化規(guī)律有時稱為沉積旋回，也被形象地稱為地球的脈動。

地球的脈動是有不同級別的，短的周期以天為單位，長的周期以百萬年甚至千萬年為單位。因此，在野外會見到不同規(guī)模的脈動產(chǎn)物。像圖6所指示的時間周期大概為數(shù)萬年至數(shù)十萬年的脈動，而圖7所代表的則是一種相對較短的脈動產(chǎn)物，圖中，相對較厚的灰白色巖石是石灰?guī)r，主要化學(xué)成分是碳酸鈣，較薄的黃色夾層則含有較多的泥質(zhì)，主要化學(xué)成分以二氧化硅為主。二者之間交替生長，脈動性非常明顯。但是到目前為止，科學(xué)家還不能精確判定這個周期的具體時間，這個謎要等同學(xué)們以后來破解。

張夏組地層中的生物丘（這些丘的體積比較大，高度常在 1～2 米之間，保存完好的丘只占少數(shù)）

張夏組中的生物丘（這些丘的形態(tài)不規(guī)則，但都主要是由低等生物構(gòu)成的）

除了鮞?；?guī)r以外，張夏組中還有一種比較集中出現(xiàn)的現(xiàn)象——生物聚集形成的丘狀體，簡稱生物丘（圖8）。生物丘實(shí)際上就是小型的生物礁。不同的地質(zhì)學(xué)家有各自不同的習(xí)慣叫法。

圖8的生物丘位于109國道通往北京方向，也就是永定河的右岸。

生物丘可并不總是長得像圖8這樣規(guī)則，經(jīng)常見到的丘是不規(guī)則狀的（圖9）。

張夏組地層沉積之后，華北板塊進(jìn)入寒武紀(jì)的晚期，這個時期的海底沉積了大量泥質(zhì)物質(zhì)，它們混在碳酸鹽礦物中，形成條帶狀的構(gòu)造，這些含有泥質(zhì)條帶且沒有完全固結(jié)的石灰?guī)r經(jīng)常受到風(fēng)暴的擾動，形成許多扁平狀的特殊排列的泥質(zhì)礫石。在特大風(fēng)暴作用下，這些泥礫會被揚(yáng)起，甚至大片的未完全固結(jié)的泥礫層被撕裂，然后又迅速與泥質(zhì)沉積物混在一起沉降在海底，這樣的沉積物固結(jié)成巖后，保留了風(fēng)暴活動的特征，地質(zhì)學(xué)家將這些受風(fēng)暴作用影響的巖石稱為風(fēng)暴巖，風(fēng)暴巖是寒武紀(jì)晚期特別典型的現(xiàn)象（圖10，圖11）。

薄層石灰?guī)r（灰白色，厚度 1 厘米左右）與極薄層泥質(zhì)條帶（黃色，厚度1～5 毫米）之間交替生長形成的韻律

張夏組中因風(fēng)暴擾動作用形成風(fēng)暴巖

張夏組中因風(fēng)暴擾動作用形成風(fēng)暴巖 （ 這張照片中近直立旋卷狀的巖石都是以前沉積的薄層條帶狀灰?guī)r，在強(qiáng)風(fēng)暴作用下，沒有完全固結(jié)的薄層灰?guī)r被風(fēng)暴卷起，再沉積到海底，就形成了這樣的構(gòu)造。注意與圖 10 進(jìn)行比較 ）

丁家灘-下葦?shù)槠拭娴牡刭|(zhì)現(xiàn)象實(shí)在很多，本文只展示了部分精彩的地質(zhì)現(xiàn)象，還有更多的內(nèi)容等待你的發(fā)現(xiàn)。

千里之行，始于足下。當(dāng)你因為各種原因不能或不知道如何遠(yuǎn)行的時候，不妨先從你的身邊做起，從你身邊的山山水水、自然公園做起。野外考察要在老師或家長的帶領(lǐng)下進(jìn)行，或者參加有資質(zhì)的研學(xué)機(jī)構(gòu)組織的活動。就讓我們立刻行動起來，去尋找地球的奧秘吧。

出行貼士

時長：全程參觀時間約4小時。

交通：109國道車輛比較多，為避免聚集接觸，提倡自駕，但沿途停車空間有限，要注意安全，一定要把車停放在安全的地方。

安全指南：

1.夏季多發(fā)暴雨，注意遠(yuǎn)離永定河水。

2.觀察巖石時，要注意上邊的落石，最好戴安全帽。

3.戶外活動一定要在老師、家長或?qū)I(yè)研學(xué)機(jī)構(gòu)的帶領(lǐng)下進(jìn)行。

周邊景點(diǎn)：京西古道牛角嶺關(guān)城、妙峰山、王平煤礦遺址、灰峪化石采集點(diǎn)、琉璃渠古村、琉璃造辦廠遺址

（責(zé)任編輯 / 徐沐妍? 美術(shù)編輯 / 周游）