生物地层的基本单位及其建立和命名

生物地层的基本单位及其建立和命名_地层学基础与前沿

6.3.1　化石的地层学意义与标准化石

生物地层学的研究对象是包含化石的岩层，其依赖的客观实体是与史前生命活动相关并在岩层中留下记录的化石。由于形态独特，且在岩层中常占据特定位置，化石经常被视为岩层中的一种特殊组分和标志。作为曾经的生命活动记录，它们也是指示过去地球环境的重要标志，对于阐明古生态、古气候、古地理及古海洋等都至关重要。在地层学研究中，由于生物进化的前进性和不可逆性，化石在地层划分对比和时代确定方面具有特殊的价值。此外，史前生物的演化阶段、进化速率、生活环境和生活方式以及化石的埋藏和保存等特征，也具有重要的地层学价值，如生物群落的生态特性也被用于地层学研究(详见本书的第14章生态地层学)。

地球历史早期的生物结构简单、形态单调、进化缓慢，因而生物地层学在前古生代地层研究中受到较大限制。寒武纪生物大爆发后，化石记录迅速丰富，生物体复杂程度增高，进化速率加快，生物多样性迅速增加，不仅为生物地层学研究提供了丰富的物质条件，而且快速的演化和丰富多样的化石记录，极大地提高了地层研究的时间分辨率。因此，生物地层学作为显生宙地层地质年代研究主导方法的地位长期未被动摇，并常被作为评价和衡量其他地层学方法的重要标杆。

不同生物类别进化速率的差异主要体现在其对生活环境的适应能力上。一些对外界环境变化耐受性较强的广适性类别，通常有较低的演变速率;而多数对环境变化比较敏感的狭适性类群，则有较高的演变速率，其生物类别更替也就更加频繁，因而，具有较高的生物地层学价值。例如，腕足动物中某些无铰纲腕足类能够在环境多变、水动力条件较强的潮间带很好地生存，但进化速率很慢;而大多数具铰纲腕足类只能生活在典型的正常海相环境，在古生代海洋中的群落演替十分迅速，形成了大量具有重要生物地层学意义的属种和化石群落。当然，生物对环境的适应性与其所采取的生活方式也有很大关系。例如，营底栖固着生活的树形笔石类明显没有营漂游生活的正笔石类演变速率快。另一方面，一个生物门类在地层划分对比上的作用也与该门类生物的扩散迁移能力和速度有直接关系。一般来说，营远洋漂游或游泳生活的生物由于其生活空间广，迁移范围宽，因而，其化石分布广泛，在生物地层对比上更具潜力。如浮游有孔虫的生物地层学价值明显优于其他营底栖生活的有孔虫类群，游泳的头足类较底栖双壳类在生物地层中通常具有更重要的地层划分和对比意义。

由此可见，对于生物地层学研究来说，那些在进化系统上演变速率快、地理扩散迁移能力强、在表型特征上具有明显鉴别标志的化石，具有更大的生物地层学价值，通常我们称这些化石为标准化石(index fossils)。由于生物进化的不可逆性，不同地史时期的生物群明显不同。因此，借助于标准化石的研究，通常我们可以比较明确、可靠地确定所产化石地层的地质年代，并进行区域乃至全球地层对比。

但是，由地史时期生活着的生物体及其生命活动产物到形成化石要经历一个相当长的地质作用过程，其间各种地质作用和物理化学变化使得绝大部分生物体及其产物未能保存为化石，而且即使能够经过石化作用在地层中保存下来的化石，也只有极小一部分能够被我们发掘出来并加以鉴定。因此，尽管标准化石更具有生物地层学价值，但我们能够获得的所有古生物化石资料在生物地层学研究中都是十分宝贵的，我们应该尽力挖掘其中蕴含的地质学信息。

6.3.2　生物地层的基本单位与命名

生物地层单位(biostratigraphic unit)是指具有相同化石内容和分布特征的一种地层单位，是根据岩石中所含化石的特征来定义和说明其特性的岩石地层体。生物地层单位是一个客观的地层实体，而且只适用于那些含古生物化石的地质体，它们赖以存在的基础是其中所包含的那些具有特定鉴别标志和属性的古生物化石。因此，生物地层单位是一种建立在化石分类单元鉴定基础上的描述性地质单元，地球上不含化石的岩层体就不属于生物地层的研究范畴。

生物地层单位与其他类型地层单位的本质差别就在于，它是以地层中所包含的生物化石来定义的地层单元。生物地层单位划分所依赖的是化石本身的生物学特征及其组合属性，如化石的类别和形态特征、某一个或几个化石的组合面貌、共生情况、延伸范围、富集程度等，因此，就有多种含义和内容迥异的生物地层单位。

最基本的生物地层单位是生物带(biozone)，它是指具有共同化石内容和化石分布特征的一种地质体。根据不同的化石特征和组合面貌可以建立不同的生物带。生物带的时间和空间延伸范围取决于定义该生物带的化石的时空分布特征。在地层厚度和地理分布上，生物带的变化范围可以很大，小的生物带可能在某一地区只是一个薄薄的岩层，而大者可能是遍布广大地理分布区厚达数百米的地层单位。不同生物带所代表的地质时间跨度也可有很大的差异，这主要取决于定义该生物带的生物种类的演化速率。

生物带的顶、底界线一般应是一个特征性的生物地层面，称为生物面(biohorizon)。生物面可能是一条地层界线、一个界面或者一个地层间断面，其上、下的生物地层特征应有重要而显著的变化。生物面常常位于两个生物带之间，但也可以出现于一个生物带的内部。生物面具有重要的地层对比价值，但利用生物面进行的地层对比不一定是等时的。

在建立生物地层单位、进行地层对比和分统建阶的过程中，首先要寻找出合理、明显又分布广泛的生物面。在生物地层研究中，比较重要的生物面包括:某一生物类别的首次出现面(first appearance datum，FAD)、末次出现面(last appearance datum，LAD)、最低存在面(lowermost occurrence)、最高存在面(uppermost occurrence)、显著富集面、化石出现频率或丰度明显变化面以及某一重要生物特征的显著变化面，例如有孔虫壳体旋卷方向的改变、珊瑚隔壁数目或排列方式的改变等。但首次出现面(简称首现面)和末次出现面(简称末现面)是需要借助大量剖面研究才能确定下来的，如果只是某一条剖面上的化石分布情况，则只能称为首次出现点(简称首现点first occurrence，FO)和末次出现点(简称末现点last occurrence，LO)。

虽然生物带是生物地层的最基本单位，但由于定义生物带所依据的生物特征不同，因而具有多种不同类型的生物带，如延限带、间隔带、富集带等。不同类型的生物带之间不存在从属关系，也不相互排斥，更不是代表生物地层单位的不同等级。不过，某些种类的生物带可再细分为亚带(subzone)，也可将具有共同生物地层特征的若干个生物带组合成一个超带(superzone)。因此，生物亚带、生物带和生物超带才是生物地层单位的分类等级。

此外，在某些生物地层研究剖面上，常常存在一些不含化石的地层间隔。它们可能是位于两相邻的生物带之间，也可能是位于某一生物带的内部。对于这些地层间隔，由于没有化石而不能进行生物地层划分，通常非正式地称这些地层为“哑层”，但可以参照其上、下相邻的生物带或其所在的生物带加以辨认和区分。如Exus parvus带和Exusmagnus带之间的哑层、Exus albus带近顶部的哑层。把这些“哑层”特别标示出来，是为了说明我们重点研究的某一化石类群在该地层中缺失。

由于生物地层单位的划分可以依据不同的生物特征，因而，就有多种不同类型的生物带，每种生物带具有特定的意义并适用于特定的场合。为了明确所使用的生物带的类型及其定义方式，各种生物带有其独立的、特定的、定义明确的术语体系。

常用的生物带有以下5种类型:延限带、间隔带、组合带、富集带和谱系带。各种生物带之间无级别上的差别，也不相互排斥。同一地层间隔可以根据所选用的化石特征，独立地划分出延限带、间隔带、组合带、富集带或谱系带。

6．3．2．1　延限带

延限带(range zone)是指由某一个或多个生物类别的已知地质延限所代表的一段地层体。作为该生物带定义的一个或多个生物类别是从某段地层序列的化石组合中严格筛选而来的。“延限”一词具有地层延限和地理延限两种含义。

延限带的定义可以是基于某一个生物分类单元(种、属、科、目等)，也可以是由几个分类单元的归并结合起来的，甚至是某一特定的古生物特征的地层延限。但这些用来定义生物带的古生物化石标志必须是可以明确判定的，而且建立延限带时必须明确定义延限带及其界线的依据和标志。生物地层的延限带有两种主要类型，即分类单元延限带和共存延限带。

分类单元延限带(taxon－range zone)指某一特定生物类别(种、属、科等)标本的已知(地层和地理的)产出的延展区间所代表的那段地层体(图6－2)，它是该生物分类单元在所有剖面上有资料确证的产出延限总和。

图6－2　分类单元延限带
(据Salvador，1994修改)
图示分类单元a产出的地层和地理延限所定义的生物分类单元延限带的上、下限界面(生物面)
与时间面t之间的关系

分类单元延限带的界线是指该分类单元的标本在每一个地方性剖面上已知产出的最大范围界线(生物面)，这个带所代表的是该分类单元所处的所有地层和地理区间。在某一具体剖面上，一个分类单元延限带的下、上界线就是该分类单元标本在该剖面上的首现点和末现点。例如，Isarcicella isarcica延限带是指已确认的包含Isarcicella isarcica标本最大产出范围的所有地层体。Eoredlichia延限带是指已确认的包含Eoredlichia标本最大产出范围的地层体，而不管是Eoredlichia(属)中的哪一个种。分类单元延限带要以定义其地质延限的相应分类单元来命名，如Flemingites延限带、Palaeofusulina sinensis延限带。

由于某一分类单元的地质延限范围在不同地理区的不同剖面上，其地层延限范围通常不完全相同，因此有人提议把分类单元在某一特定地区或地点的延限称作为局部带、地方带或地方延限带等，从而与分类单元的总体延限相区别。但是，分类单元在一个地区的延限只有在指出该地区名称的情况下才有意义，因而不具有特殊的地层延伸意义，因此，目前一般不采用这些术语，而是在某一分类单元后附加具体的剖面或地区名称加以说明，如B剖面a分类单元延限带。严格来说，分类单元延限带在不同地理区的地层剖面上，其下、上限界面是穿时的。在定义某一分类单元延限带的范围时，通常采用该分类单元的上限界面和下限界面来共同确定(图6－2)。

共存延限带(concurrent－range zone)是指由两个特定生物类别(种、属、科等)标本的已知(地层和地理的)产出区间的重叠部分所代表的那段地层体(图6－3)。这两个分类单元是从该地层序列中所含的所有生物类型中挑选出来的。该带的界线只能用这两个分类单元来定义，其他分类单元可作为该带的特征分子，但它们可以延伸到该带范围之外。如果连续用共存延限带来划分地层，可能会出现一些生物地层分带未能涉及的层段，或者出现同一地层被包含在多个共存延限带内，这是由共存延限带划分的性质所决定的。

共存延限带的界线是根据特定地层剖面上，两个用作定义的化石分类单元中那个延限较高的分类单元的最低存在生物面作为下限，以另一个延限较低的分类单元的最高存在生物面作为上限来确定的(图6－3)。共存延限带的名称取自于说明该生物带特征的两个分类单元名称，如Globigerina sellii－Pseudohastigerina barbadoensis共存延限带。

图6－3　共存延限带
(据Salvador，1994修改)
由分类单元a和b的共存产出所定义的下限生物面和上限生物面，及其与时间面t之间的关系

6．3．2．2　间隔带

间隔带(interval zone)是指位于两个特定的生物面之间的、含化石的地层体(图6－4至图6－6)。

图6－4　间隔带
(据Salvador，1994)
其下限由分类单元a的最低存在面标定，其上限由分类单元b的最高存在面标定

图6－5　间隔带(最高存在带)
(据Salvador，1994)
其下限和上限分别由分类单元a和b的最高存在生物面所定义，这种间隔带在钻井地层研究中特别有用

间隔带不一定代表某一个或几个分类单元的分布范围，它只是通过这些生物所界定的生物面来定义和识别的。位于两个生物面之间不含化石的哑层不能作为间隔带。作为间隔带的顶界和底界标志可以是:某一特定分类单元在任一特定剖面中有资料确证的最低存在生物面;某一特定分类单元在任一特定剖面中有资料确证的最高存在生物面;其他任何可资区别的、具有生物地层特征的生物面。因此，间隔带的界线是由其定义中所选用的生物面来界定的。

间隔带可选用该带内具有代表性的一个分类单元来命名，但这个分类单元不一定限于该带，也不一定是限定该带的根据，如Clarkina carinata间隔带，其底界和顶界可能是由其他种名限定的，并且Clarkina carinata可能上延至另外一个化石带。也可以用其界线生物面来命名，但一般将底界生物名放在前、顶界生物名放在后，如Globigerinoides sicanus－Orbulina suturalis间隔带。

图6－6　间隔带(最低存在带)
(据Salvador，1994)
其上限和下限分别由分类单元a和b的最低存在生物面所定义

间隔带在地下钻井剖面的生物地层研究工作中十分有用。由于钻井是自上而下钻入的，化石鉴定所依据的钻井岩屑常被先前钻出的沉积物的再循环以及井壁脱落的物质所混杂。在这种情况下，用两个特定分类单元的已知最高存在生物面(自上而下的首次出现)之间的地层剖面(图6－5)定义的间隔带就特别有用，故也称为“最高存在带”“最高产出带”或“上限带”。同样地，用两个特定分类单元已知的最低存在生物面之间的地层所定义的间隔带(图6－6)，也是一种很有用的生物地层带，常称为“最低存在带”“最低产出带”或“下限带”。

6．3．2．3　谱系带

谱系带(lineage zone)是含有代表进化谱系中某一特定片断的化石标本的地层体(图6－7)。它既可以是某一分类单元在一个演化谱系中的总延限［图6－7(a)］，也可以是该分类单元在其后裔分类单元出现之前的那段延限［图6－7(b)］。

在进化谱系中，只要其连续片断的最低出现点是基本同时的，谱系带就有重要的时间意义，而近似于年代地层单位。但谱系带与年代地层中的时带不同，谱系带仅限于其赖以建立的进化谱系中那个实际存在的特定地层部分，并不包括那个片断时间跨度内所形成的所有地层。不过，相互重叠的谱系系统为可靠的生物地层时间对比提供了有效的保证，特别是以几个谱系为基础的重叠带可为生物地层提供更可靠的时间对比。

谱系带的上、下界线是通过代表所研究的演化谱系中连续分子的最低存在生物面来确定的。谱系带代表了一个分类单元在进化谱系中的总体或部分延限，因此谱系带就以该分类单元来命名，如Miogypsina intermedia谱系带、Hindeodus parvus谱系带。

6．3．2．4　组合带

一个组合带(assemblage zone)是由两个及以上分类单元整体上构成一个独特组合或共生的地层体(图6－8)。组合带的确定依据既可以是该带内所具有的各种化石，也可仅限于

图6－7　谱系带
(据Salvador，1994)
(a)谱系带代表了分类单元b的整个延限——自祖先分类单元a的最高存在生物面到后裔分类单元c的最低存在生物面;(b)谱系带代表了分类单元y的最低存在生物面到其后裔分类单元z的最低存在生物面之间的那段地层体

某些特定类型。因此，就可能有只根据某些化石动物群或植物群所建立的组合带，如珊瑚组合带、有孔虫组合带、软体动物组合带、浮游生物组合带或底栖生物组合带等。

图6－8　组合带
(据Salvador，1994)

组合带的界线是标志该生物地层单位特有化石组合所存在范围的生物面。在确定某一地层剖面是否归属某一组合带时，并不需要将该带特征的所有成员都显示在该剖面上，而且该带中任一成员的总延限都可以超出该组合带的界线。常用的生物面是某一类或几类分类单元或某些古生物特征在当地的兴、衰、存、亡界线。受局部环境变化的深刻影响，这种生物面通常是比较明显的。选择哪些分类单元来确定组合带的界线通常是凭经验来进行的，因此以地层延限不同的多个化石类别为基础建立的组合带，其界线的识别有时是比较困难的。因此，组合带的顶、底界线也可以用该组合带的下伏化石带的顶面和上覆化石带的底面来确定(见本章6．5一节实例)。

值得注意的是，化石组合与组合带是两个不同的概念。前者是指保存在地层中多种分类单元的混合，不是一个地层单位术语，但它可以成为组合带的基础。组合带强调的是共同埋藏在地层中的某几类或全部化石的整体特征，而不是任一选出成员的某一特征，因此它能够反映该段地层中生物的客观、自然总貌。如果指定一个层型，对组合带的表达和鉴别将十分有用。

组合带往往与局部地区或一定区域相联系，它们与地理上变化很大的生活环境是密切相关的。但是，海洋浮游生物化石组合，在一定的纬度和温度范围内，可以遍及全球。因此，在指示环境方面，组合带可能具有特别重要的意义，同时它也可用来指示地质年代。

组合带的名称是以其化石组合中的两个或两个以上具有明显特征的分类单元来命名，如Ophiceras－Lytophiceras组合带。

以德国生物地层学家Albert Oppel命名的奥佩尔带(Oppel zone)曾被认为是一种组合带或多个分类单元的共存延限带，或一种间隔带。但对于这种生物带，Oppel本人及后来的生物地层学家从未下过精确的定义，它似乎与其他任何生物带都不能完全对应。因此，目前一般都未将奥佩尔带作为一个正式的生物带使用。

6．3．2．5　富集带

富集带(abundance zone)所指的地层体是，其中一个特定的分类单元或一组特定的分类单元的丰度明显高于其在该剖面相邻地层中的一般丰度(图6－9)，而不必考虑分类单元和伴生生物的延限情况。富集带建立的依据是其中某一分类单元的标本数量或某一组分类单元的标本数量突然增大。生物演化和生态环境变化都是造成生物富集的重要原因，故此富集带一般仅在局部地区使用。

图6－9　富集带
(据Salvador，1994)

富集带的上、下界线是该带中一个或一组分类单元的丰度发生明显变化的一个特征性的生物面。富集带取名于丰度剧增的一个或多个代表性分类单元，如Claraia aurita富集带。富集带也被称为顶峰带(acme zone)。