互动科普

时间是生活中最重要的概念之一，从古代的日晷、沙漏，到现代的电子表、原子钟，人们不断致力于改进时间测定的精度。对于地球历史而言，卡定准确的时间也同样重要，在没有钟表的情况下，我们如何知晓全球冰冻、大陆漂移、生物更替的年代？幸好，地层中留下了来自远古的“计时器”。

撰文/樊隽轩 叶法丞 冯伟民

很早以前，人们就明白了沧海桑田的道理。我国古代的颜真卿、沈括，都通过岩石上镶嵌的化石，准确地推断出现今所看到的高山，在远古曾是汪洋大海。到了17世纪，丹麦科学家尼古拉斯·斯坦诺（Nicolaus Steno）在考察意大利北部山脉时，得出了地层叠覆、原始水平、侧向连续三条原理，认为地层是依次叠覆的，下老而上新，在地层形成之时，产状应该是水平的，并且能够在侧向上延续。据此，人们就可以根据沉积物的堆积速度和地层的厚度，来估算地层的年代。但这种估算的准确性非常低。

其实，斯坦诺已经认识到地层中形似生物的部分是古代生物的遗骸，但是，他没有意识到这些石头在定年上的巨大价值。直到18世纪末，英国地质学家威廉·史密斯（William Smith）在参与萨默塞特煤运河（Somersetshire Coal Canal）的工程中发现了地层结构的规律性，以及每一层岩石中都含有独特化石这一特点。他提出，岩性相似的岩层，其时代可依据其中的生物化石来确定，即化石层序律。在此基础上，他首次绘制了现代意义的国家级地质图，涵盖了英格兰、威尔士以及苏格兰的部分地区。

生物地层学与生物带

据估计，在地球的生命历史过程中，已有数以百万计的物种曾出现并消亡。由于生命随着时间而不断演化，因此在地球历史的不同阶段发育了不同的生物。比如，寒武纪海洋世界中三叶虫的繁盛，侏罗纪恐龙等爬行动物统治了海、陆、空三界。生物在地质历史中显示了明显的演化过程，而且这种演化过程在地层记录中是不可能重复的。因此，在任何相当长的地质时间间隔中，演化使得任一时代的生物组合面貌均不同于其他时代。如果我们能在地球生命历史的不同阶段均识别出一种或几种特征的化石，这种或这几种化石仅在这一时段出现或主要在这一阶段出现，我们就可以建立一套连续、完整的生物地层序列，以某些生物的首次出现（简称首现）或末次出现（简称末现）作为分界，标定出一个个的生物带，从而为地层的划分与对比提供了最实用的技术手段，这也正是生物地层学研究的主要内容。

化石能够告诉我们岩石年龄的相对顺序，但非绝对的时间值，因此被称作相对年龄。此外，地球化学指标（如有机碳或无机碳、氧同位素等）的正偏或负偏（统称漂移），古地磁极性的倒转，某种岩性的出现或消失等也能体现相对年龄。由于地球表面70%的岩石均为沉积岩，且其中富含化石，因此用化石的首现或末现确定的相对年龄最为常用。现有的国际地质年代，也正是基于18世纪以来对生物地层序列的添砖加瓦而建立的，寒武纪、侏罗纪等名词均由此而来。而通过对比沉积岩和火成岩、变质岩的接触关系，也可以推断后两者的相对年龄，这在实际工作中经常是极其有效的手段。

不过，由于许多因素的影响，比如腐食生物、细菌等对生物遗体的破坏，地壳运动导致赋存化石的岩层被深埋从而导致化石在高温高压环境下被破坏（变质岩中很难找到化石标本），岩层暴露地表后因风化作用导致化石赋存岩层被破坏等，因此并不是所有的物种都能在地层中形成化石并保存下来；并且，也不是所有保存在地层中的化石都能被我们挖掘到。因此，在使用古生物化石确定相对年龄时，需注意化石保存的这些特点。

生物地层学研究的核心是生物带。生物带的建立可以是基于单一分类单元、几个分类单元的组合、相对丰度、特定的形态特征，或者是与地层中化石组成和分布有关的其他特征的变化。根据岩层中化石特性的不同，可以识别出几种生物带类型，如延限带、间隔带、种系带、组合带等。一个良好的生物带需要满足一定的条件，如顶底界线清楚且基本不随岩相变化而改变，特征化石演化迅速、特征明显、易于识别且个体数量多（丰度大），化石分布广泛、可在区域或全球广泛对比等。

在传统工作中，一些化石如三叶虫、笔石、腕足类、菊石等，演化迅速、特征显著、易于识别，其中有些大化石在野外通过肉眼鉴定即可确定其分类，因此可以很方便地用于地层的划分和对比。这些化石也被习惯称为标准化石。

（本文发表于《科学世界》2015年第11期）