宏篇巨制編年史中的“定音之錘”

王大銳

作者單位：中國石油勘探開發(fā)研究院

在地球誕生以來的46億年間，到底發(fā)生過多少翻天覆地的變化是一個千古之謎，現(xiàn)在還沒有人能夠給出確切的答案。伴隨著海陸變遷、生物演替以及沉積地層的疊覆，留下了大量反映地球演化和生物發(fā)展、進化軌跡的地質歷史記錄。

鴻篇巨制“編年史”的誕生

18世紀中葉，法國科學家在調查巴黎盆地時，以特殊的沉積巖和生物化石對巴黎盆地地層逐層作了深入研究。后來，又有學者系統(tǒng)研究了歐洲維拉雷山脈的地層和化石，提出存在著由老到新的五套地層。根據(jù)生物進化史上的從低級到高級的發(fā)展，進化的不可逆特征（比如：魚類可以進化為兩棲動物、爬行動物，而哺乳動物卻不可能退化為爬行動物），而且，這些特征可以保存在巖石層中。這樣，就逐漸形成了用化石特征和沉積物的性質恢復過去地質歷史環(huán)境的基本方法，并建立了“歷史地質學”這門重要學科。

地球的編年史（圖源image.baidu.com）

英國地質學家史密斯在18世紀末首先突破了地層劃分和對比這一難關，到了19世紀初，他調查研究了威爾士到泰唔士河廣大地區(qū)的地層和化石，以自己的專著《用生物化石鑒定地層》，奠定了地層學、地史學的基礎。在史密斯之后，地質學家們嘗試以化石為基本依據(jù)，用“紀”來確定地質歷史時期大的時間單位，同一時期形成的地層，用“系”來表示。在“紀”的基礎上，科學家們發(fā)現(xiàn)還能區(qū)分出更大一些的時間單位和地層單位。英國地質學家菲力普斯歸納了前人的工作，將寒武紀、奧陶紀、志留紀、泥盆紀、石炭紀、二疊紀幾個紀合并稱為古生代；將三疊紀、侏羅紀、白堊紀三個紀合并稱為中生代；將第三紀（現(xiàn)在被細分為古近紀和新近紀）與第四紀合并稱為新生代，從而產(chǎn)生了認識地史的地質年代順序。

以生物進化為依據(jù)，人們建立了能反映地球相對年齡的地質年代表。在這個表上，最大的時間概念是宙，其次是代、紀、世、期。如古生代包括寒武紀等六個紀，其中，寒武紀又可進一步分為早寒武世、中寒武世和晚寒武世三個世，每個世還可以分成若干個期。與地質時代相對應，代表每一地質時期的地層也建立起地層單位。最大的地層單位是宇，其次是界、系、統(tǒng)、階，如代表古生代的地層，我們就稱作古生界，其中，寒武紀時形成的地層就被稱為寒武系，奧陶紀期間形成的地層則被稱為奧陶系，以此類推。

由史密斯倡導的生物地層學方法一直沿用至現(xiàn)在。這種方法的理論根據(jù)是：在地球歷史的發(fā)展過程中，生物總是由低級到高級、由簡單到復雜不斷地變化著，由無脊椎動物發(fā)展到低等脊椎動物，進而進化到爬行動物和哺乳動物，以至出現(xiàn)人類。這種進化過程絕不會向逆向發(fā)展。

根據(jù)生物的發(fā)展階段，可以把地球的歷史劃分為若干時代，并編制成完整的地質年代表。世界上不同地區(qū)的各種巖石層，都可以用古生物或其他方法定出它屬于地質年代中哪一個地質時代。這是世界上時間跨度最大的年代表，堪稱偉大的編年史。

地層大多是根據(jù)最初研究地點（也是發(fā)育最好，地層出露較為完整的）而命名的。比如著名的中生代延續(xù)時間最長的“白堊紀”就是1822年由比利時地質學家蒂哈羅意（Jean d'Omalius d'Halloy）研究巴黎盆地時所提出。其名稱在拉丁文意為“黏土”，意指上白堊世地層里常見的白堊，由海生無脊椎動物身上甲殼的碳酸鈣沉積而成，尤其是球石粒。

這些地質年代都是相對的，只能確定彼此形成的早晚關系，在討論地球發(fā)展史時，往往還需要確切知道所涉及的地質時代的“絕對年齡”?？茖W家們可通過同位素測定法準確地得到地球上巖石形成時的“絕對年齡”。這樣，人們就能夠獲得地球不同時期絕對年齡值和各個地質時代的準確時限，比如，寒武紀始于大約5.4億年前，結束于5億年前。那么，這些地質年齡是怎么確定的呢？

巖石的年齡是怎么測定的？

今天，人們已經(jīng)為地球的歷史編出了詳細的地質年代表。比如恐龍的最繁盛時代為距今約225百萬年前的侏羅紀，絕滅于約6600萬年前的白堊紀末期。三葉蟲的繁盛時期為距今約530百萬年前的寒武紀，等等。這些動物生存的時代是怎么定出來的呢? 地球的大約46億年歷史是怎么劃定的呢？

當巖石或礦物在一次地質事件中形成時，地殼內部的放射性同位素以一定的形式進入巖石、礦物，之后便不斷地衰減，隨之蛻變成的子體逐漸增加。所以，通過準確地測定巖石、礦物中母體和子體的含量，就可以根據(jù)放射性衰變定律計算出該巖石、礦物的地質年齡。這種年齡測定稱做同位素計時或放射性計時。計時的基本原理就是天然放射性同位素的衰變規(guī)律。測定的地質事件或宇宙事件的年齡，就是“同位素地質年齡”。

地學界目前應用的同位素測定方法比較多，不同的方法有不同的應用范圍。比如由于碳同位素的半衰期相對較短，14C法可測的年齡一般不超過5萬年，最大限度是7萬年。因此凡是幾萬年以來曾經(jīng)在地球生物圈、大氣圈和水圈中生存過的含碳生物均可作為樣品進行測定。包括動植物的殘?。ㄈ缒绢^、木炭、果實、種子、獸皮、象牙等），含同生有機質的沉積物（泥炭、淤泥等）和土壤，生物碳酸鹽（貝殼、珊瑚等）和原生無機碳酸鹽（石灰華、蘇打、天然堿等），含碳的古代文化遺物（紙、織物、陶瓷、鐵器），等等。14C法主要適用于考古學研究。

鉀—氬法的最佳年齡段在104～109年之間，銣—鍶法的最佳范圍為107～108年，所以這兩種方法適應于中新生代地層時代的測定；鈾—鉛法的適應范圍在107～108年以上，鈾—釹法也在2×108年以上，這兩種方法較適用于非常古老地層時代的研究。進行“同位素地質年齡”測定的巖石必須盡可能地新鮮，在有蝕變的巖石內，氬易丟失，所以測出的年代不準確。

編年史中的“定音之錘 ”

有了精確的同位素地質年齡，地質學家們就可以編制具有相對精確時間刻度的“地質年代表”了。

早在1911年，年僅21歲的英國地質學家A·霍爾梅斯就提出了用礦物中鈾鉛同位索的比值來測定地層年齡的設想；1937年，經(jīng)過20多年的工作，他發(fā)表了世界上第一份具有數(shù)字年齡的地質年表。

火山凝灰?guī)r的手標本

第二次世界大戰(zhàn)結束后，歐美各國以及前蘇聯(lián)的地質學者加強了同位素地質年齡的研究力度。進入20世紀80年代以后；地質年代表發(fā)展得很快，目前在國際地學界有影響的地質年代表主要有：

PTS年表這是一份“顯生宙地質年表”，由英國倫敦地質系學會于1964年提出，曾對國際地學界產(chǎn)生過相當大的影響。1976年在悉尼召開的第25屆國際地質大會上，對此年代表進行了修改、補充和復算。

GTS年表這是在PTS年表的基礎上編制的，其中幾位重要的研究人員在著名的石油公司任職，所以該年代表對石油．煤炭及天然氣工業(yè)界有較大的影響。GTS年表最重要的特點在于它有時間年標和地層年標雙重意義。前者以標準的天文時間“年”記時，后者以傳統(tǒng)的地層時代單位代、紀、世等記時。二者構成了既有數(shù)字年齡、又能反映生物進化階段、具有地質事件特征的統(tǒng)一地質年表。世界著名的科學家W. B. 哈蘭德是編制者之一。

NDS年表該表誕生于20世紀80年代初，它強調了放射性同位素年齡、全球化石對比和地磁極性年表的結合，使得該表的國際性更強，是在全球251個測量點、顯生宙的71條界線實測年齡的基礎上編制而成的。所以，NDS年表已成為現(xiàn)代地層研究人員必須了解的內容之一。

COSUNA年表美國石油地質家協(xié)會（AAPG）在1976年第25屆國際地質大會開過之后，積極開展了一項建立北美地層對比（COSUNA）計劃。在這項工作中，盡量做到以海相標準化石為基礎，劃分與對比地層，并配合同位素年齡數(shù)據(jù)，我國地質學家采用于該表中前寒武紀地層界線。

值得一提的是，迄今為至；絕大多數(shù)“同位素地質年齡”是從火成巖或火山凝灰?guī)r中測定的，而地球上相當多的巖石是沉積巖，所以就造成了同位素地質年代學研究的局限性。對于地質學家，尤其是石油地質學家來說，含有豐富石油與天然氣的沉積巖的“同位素年齡”測定就成為一個極有挑戰(zhàn)意義的課題。

有了這些較為精確的地質年代測量手段，科學家們就不斷地探討地球各個重要地質時代的時間“節(jié)點”。比如，自從20世紀80年代以后，關于寒武紀的開始年齡就一再修改，最終，根據(jù)在最底部發(fā)現(xiàn)的鋯石礦物的同位素測年，于20世紀末，國際地層委員會確認，這一“顯生宙”的開始時間從以往的6億年前變更為5.4億年前。白堊紀結束的時間為距今大約6500萬年前（現(xiàn)在又被修訂為6600萬年前），等等。

“金釘子”上顯身手

歷史上，地質紀年的名字和分類方法經(jīng)常改變，不同年代的時間界限也飄忽不定。這有的是因為年代的重新定義，有的是因為測年方法不同，還有的是因為世界不同地方的研究者以不同的巖石作為同一年代的界標，導致具體時間界限存在爭議。為了解決這個問題，地質學家們使用“金釘子”來作為公認的固定界標。

金釘子正式名稱叫“全球層型剖面和層型點位”，有資格被稱為“金釘子”的地方，是標志地質年代分界線的代表地點。這里的巖石和化石，記錄了某個具有全球意義的重大地質事件。金釘子由國際地層委員會提名，國際地質科學聯(lián)合會（IUGS）審核批準。金釘子一旦釘下，這個地點就成為某一地質時代分界點的惟一道標，即使對這里的巖石年齡測算結果發(fā)生改變，它的地位也不會發(fā)生變化。

長興煤山二疊紀-三疊紀“金釘子”剖面

2001年由國際地質科學聯(lián)合會批準確認了我國一處二疊系-三疊系剖面為“金釘子”。剖面位于我國浙江長興煤山西南約1.5千米。主要由殷坑組粘土、鈣質泥巖、泥質灰?guī)r組成。二疊系與三疊系界線定在牙形石Hindeodus parvus層的最底部，即煤山D剖面27c層泥質灰?guī)r的底部，在殷坑組底界之上19厘米。

二疊紀與三疊紀之交，發(fā)生過迄今為止人們所了解的地球上最大、最慘烈的生物大滅絕事件，地球上大約90%的物種被滅絕了。但二疊紀與三疊紀交界的地層很少被發(fā)現(xiàn)，因此科學家們很難準確地估算滅絕事件的年代與經(jīng)歷時間，以及影響的地理范圍。1998年，科學家研究浙江省長興縣煤山附近的二疊紀-三疊紀巖層，他們采用鈾-鉛測年方法，研究鋯石中的鈾/鉛比例，估計二疊紀-三疊紀滅絕事件的發(fā)生年代為2.514億年前（誤差值為30萬年）。

關于這次滅絕的過程、經(jīng)歷時間、以及不同生物群的滅絕模式，仍然相當模糊。一些證據(jù)顯示這次滅絕事件持續(xù)約數(shù)百萬年，而在二疊紀的最后100萬年，急劇地達到高峰。2000年，科學家研究浙江煤山的許多富含化石的地層，借由統(tǒng)計分析指出，這次滅絕事件只有一個滅亡高峰期。我國學者與國外學者聯(lián)合研究，根據(jù)二疊-三疊紀界線處采集到的大致幾厘米的沉積層內的鋯石同位素測定，推斷那次導致全球大約90%物種滅絕的大災難發(fā)生延續(xù)的時間僅僅12萬年！

詳細的古生物化石群落的研究加上較為精確的同位素地質測年數(shù)據(jù)，使得“金釘子”的科學性和真實性更加充分。