宏篇巨制编年史中的“定音之锤”

王大锐

作者单位：中国石油勘探开发研究院

在地球诞生以来的46亿年间，到底发生过多少翻天覆地的变化是一个千古之谜，现在还没有人能够给出确切的答案。伴随着海陆变迁、生物演替以及沉积地层的叠覆，留下了大量反映地球演化和生物发展、进化轨迹的地质历史记录。

鸿篇巨制“编年史”的诞生

18世纪中叶，法国科学家在调查巴黎盆地时，以特殊的沉积岩和生物化石对巴黎盆地地层逐层作了深入研究。后来，又有学者系统研究了欧洲维拉雷山脉的地层和化石，提出存在着由老到新的五套地层。根据生物进化史上的从低级到高级的发展，进化的不可逆特征（比如：鱼类可以进化为两栖动物、爬行动物，而哺乳动物却不可能退化为爬行动物），而且，这些特征可以保存在岩石层中。这样，就逐渐形成了用化石特征和沉积物的性质恢复过去地质历史环境的基本方法，并建立了“历史地质学”这门重要学科。

地球的编年史（图源image.baidu.com）

英国地质学家史密斯在18世纪末首先突破了地层划分和对比这一难关，到了19世纪初，他调查研究了威尔士到泰唔士河广大地区的地层和化石，以自己的专著《用生物化石鉴定地层》，奠定了地层学、地史学的基础。在史密斯之后，地质学家们尝试以化石为基本依据，用“纪”来确定地质历史时期大的时间单位，同一时期形成的地层，用“系”来表示。在“纪”的基础上，科学家们发现还能区分出更大一些的时间单位和地层单位。英国地质学家菲力普斯归纳了前人的工作，将寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪几个纪合并称为古生代；将三叠纪、侏罗纪、白垩纪三个纪合并称为中生代；将第三纪（现在被细分为古近纪和新近纪）与第四纪合并称为新生代，从而产生了认识地史的地质年代顺序。

以生物进化为依据，人们建立了能反映地球相对年龄的地质年代表。在这个表上，最大的时间概念是宙，其次是代、纪、世、期。如古生代包括寒武纪等六个纪，其中，寒武纪又可进一步分为早寒武世、中寒武世和晚寒武世三个世，每个世还可以分成若干个期。与地质时代相对应，代表每一地质时期的地层也建立起地层单位。最大的地层单位是宇，其次是界、系、统、阶，如代表古生代的地层，我们就称作古生界，其中，寒武纪时形成的地层就被称为寒武系，奥陶纪期间形成的地层则被称为奥陶系，以此类推。

由史密斯倡导的生物地层学方法一直沿用至现在。这种方法的理论根据是：在地球历史的发展过程中，生物总是由低级到高级、由简单到复杂不断地变化着，由无脊椎动物发展到低等脊椎动物，进而进化到爬行动物和哺乳动物，以至出现人类。这种进化过程绝不会向逆向发展。

根据生物的发展阶段，可以把地球的历史划分为若干时代，并编制成完整的地质年代表。世界上不同地区的各种岩石层，都可以用古生物或其他方法定出它属于地质年代中哪一个地质时代。这是世界上时间跨度最大的年代表，堪称伟大的编年史。

地层大多是根据最初研究地点（也是发育最好，地层出露较为完整的）而命名的。比如著名的中生代延续时间最长的“白垩纪”就是1822年由比利时地质学家蒂哈罗意（Jean d'Omalius d'Halloy）研究巴黎盆地时所提出。其名称在拉丁文意为“黏土”，意指上白垩世地层里常见的白垩，由海生无脊椎动物身上甲壳的碳酸钙沉积而成，尤其是球石粒。

这些地质年代都是相对的，只能确定彼此形成的早晚关系，在讨论地球发展史时，往往还需要确切知道所涉及的地质时代的“绝对年龄”。科学家们可通过同位素测定法准确地得到地球上岩石形成时的“绝对年龄”。这样，人们就能够获得地球不同时期绝对年龄值和各个地质时代的准确时限，比如，寒武纪始于大约5.4亿年前，结束于5亿年前。那么，这些地质年龄是怎么确定的呢？

岩石的年龄是怎么测定的？

今天，人们已经为地球的历史编出了详细的地质年代表。比如恐龙的最繁盛时代为距今约225百万年前的侏罗纪，绝灭于约6600万年前的白垩纪末期。三叶虫的繁盛时期为距今约530百万年前的寒武纪，等等。这些动物生存的时代是怎么定出来的呢? 地球的大约46亿年历史是怎么划定的呢？

当岩石或矿物在一次地质事件中形成时，地壳内部的放射性同位素以一定的形式进入岩石、矿物，之后便不断地衰减，随之蜕变成的子体逐渐增加。所以，通过准确地测定岩石、矿物中母体和子体的含量，就可以根据放射性衰变定律计算出该岩石、矿物的地质年龄。这种年龄测定称做同位素计时或放射性计时。计时的基本原理就是天然放射性同位素的衰变规律。测定的地质事件或宇宙事件的年龄，就是“同位素地质年龄”。

地学界目前应用的同位素测定方法比较多，不同的方法有不同的应用范围。比如由于碳同位素的半衰期相对较短，14C法可测的年龄一般不超过5万年，最大限度是7万年。因此凡是几万年以来曾经在地球生物圈、大气圈和水圈中生存过的含碳生物均可作为样品进行测定。包括动植物的残骸（如木头、木炭、果实、种子、兽皮、象牙等），含同生有机质的沉积物（泥炭、淤泥等）和土壤，生物碳酸盐（贝壳、珊瑚等）和原生无机碳酸盐（石灰华、苏打、天然碱等），含碳的古代文化遗物（纸、织物、陶瓷、铁器），等等。14C法主要适用于考古学研究。

钾—氩法的最佳年龄段在104～109年之间，铷—锶法的最佳范围为107～108年，所以这两种方法适应于中新生代地层时代的测定；铀—铅法的适应范围在107～108年以上，铀—钕法也在2×108年以上，这两种方法较适用于非常古老地层时代的研究。进行“同位素地质年龄”测定的岩石必须尽可能地新鲜，在有蚀变的岩石内，氩易丢失，所以测出的年代不准确。

编年史中的“定音之锤 ”

有了精确的同位素地质年龄，地质学家们就可以编制具有相对精确时间刻度的“地质年代表”了。

早在1911年，年仅21岁的英国地质学家A·霍尔梅斯就提出了用矿物中铀铅同位索的比值来测定地层年龄的设想；1937年，经过20多年的工作，他发表了世界上第一份具有数字年龄的地质年表。

火山凝灰岩的手标本

第二次世界大战结束后，欧美各国以及前苏联的地质学者加强了同位素地质年龄的研究力度。进入20世纪80年代以后；地质年代表发展得很快，目前在国际地学界有影响的地质年代表主要有：

PTS年表这是一份“显生宙地质年表”，由英国伦敦地质系学会于1964年提出，曾对国际地学界产生过相当大的影响。1976年在悉尼召开的第25届国际地质大会上，对此年代表进行了修改、补充和复算。

GTS年表这是在PTS年表的基础上编制的，其中几位重要的研究人员在著名的石油公司任职，所以该年代表对石油．煤炭及天然气工业界有较大的影响。GTS年表最重要的特点在于它有时间年标和地层年标双重意义。前者以标准的天文时间“年”记时，后者以传统的地层时代单位代、纪、世等记时。二者构成了既有数字年龄、又能反映生物进化阶段、具有地质事件特征的统一地质年表。世界著名的科学家W. B. 哈兰德是编制者之一。

NDS年表该表诞生于20世纪80年代初，它强调了放射性同位素年龄、全球化石对比和地磁极性年表的结合，使得该表的国际性更强，是在全球251个测量点、显生宙的71条界线实测年龄的基础上编制而成的。所以，NDS年表已成为现代地层研究人员必须了解的内容之一。

COSUNA年表美国石油地质家协会（AAPG）在1976年第25届国际地质大会开过之后，积极开展了一项建立北美地层对比（COSUNA）计划。在这项工作中，尽量做到以海相标准化石为基础，划分与对比地层，并配合同位素年龄数据，我国地质学家采用于该表中前寒武纪地层界线。

值得一提的是，迄今为至；绝大多数“同位素地质年龄”是从火成岩或火山凝灰岩中测定的，而地球上相当多的岩石是沉积岩，所以就造成了同位素地质年代学研究的局限性。对于地质学家，尤其是石油地质学家来说，含有丰富石油与天然气的沉积岩的“同位素年龄”测定就成为一个极有挑战意义的课题。

有了这些较为精确的地质年代测量手段，科学家们就不断地探讨地球各个重要地质时代的时间“节点”。比如，自从20世纪80年代以后，关于寒武纪的开始年龄就一再修改，最终，根据在最底部发现的锆石矿物的同位素测年，于20世纪末，国际地层委员会确认，这一“显生宙”的开始时间从以往的6亿年前变更为5.4亿年前。白垩纪结束的时间为距今大约6500万年前（现在又被修订为6600万年前），等等。

“金钉子”上显身手

历史上，地质纪年的名字和分类方法经常改变，不同年代的时间界限也飘忽不定。这有的是因为年代的重新定义，有的是因为测年方法不同，还有的是因为世界不同地方的研究者以不同的岩石作为同一年代的界标，导致具体时间界限存在争议。为了解决这个问题，地质学家们使用“金钉子”来作为公认的固定界标。

金钉子正式名称叫“全球层型剖面和层型点位”，有资格被称为“金钉子”的地方，是标志地质年代分界线的代表地点。这里的岩石和化石，记录了某个具有全球意义的重大地质事件。金钉子由国际地层委员会提名，国际地质科学联合会（IUGS）审核批准。金钉子一旦钉下，这个地点就成为某一地质时代分界点的惟一道标，即使对这里的岩石年龄测算结果发生改变，它的地位也不会发生变化。

长兴煤山二叠纪-三叠纪“金钉子”剖面

2001年由国际地质科学联合会批准确认了我国一处二叠系-三叠系剖面为“金钉子”。剖面位于我国浙江长兴煤山西南约1.5千米。主要由殷坑组粘土、钙质泥岩、泥质灰岩组成。二叠系与三叠系界线定在牙形石Hindeodus parvus层的最底部，即煤山D剖面27c层泥质灰岩的底部，在殷坑组底界之上19厘米。

二叠纪与三叠纪之交，发生过迄今为止人们所了解的地球上最大、最惨烈的生物大灭绝事件，地球上大约90%的物种被灭绝了。但二叠纪与三叠纪交界的地层很少被发现，因此科学家们很难准确地估算灭绝事件的年代与经历时间，以及影响的地理范围。1998年，科学家研究浙江省长兴县煤山附近的二叠纪-三叠纪岩层，他们采用铀-铅测年方法，研究锆石中的铀/铅比例，估计二叠纪-三叠纪灭绝事件的发生年代为2.514亿年前（误差值为30万年）。

关于这次灭绝的过程、经历时间、以及不同生物群的灭绝模式，仍然相当模糊。一些证据显示这次灭绝事件持续约数百万年，而在二叠纪的最后100万年，急剧地达到高峰。2000年，科学家研究浙江煤山的许多富含化石的地层，借由统计分析指出，这次灭绝事件只有一个灭亡高峰期。我国学者与国外学者联合研究，根据二叠-三叠纪界线处采集到的大致几厘米的沉积层内的锆石同位素测定，推断那次导致全球大约90%物种灭绝的大灾难发生延续的时间仅仅12万年！

详细的古生物化石群落的研究加上较为精确的同位素地质测年数据，使得“金钉子”的科学性和真实性更加充分。