生物层序律

(一)概念

埋藏在岩层中的古代生物遗体或遗迹称为化石。动物的骨骼、甲壳、足迹、蛋、粪以及植物的根、茎、叶或其痕迹也均可成为化石。一般保存为化石的生物实体，都已不同程度地受到地质作用改造，如被某种矿物质(如碳酸钙、二氧化硅、黄铁矿等)充填或交代而石化，或生物遗体中所含不稳定成分挥发逸去，仅留下碳质薄膜等。尽管如此，生物遗体的结构可以保持不变。生物的演变是从简单到复杂、从低级到高级不断发展的。因此，一般说来，年代越老的地层中所含生物越原始、越简单、越低级，年代越新的地层中所含生物越进步、越复杂、越高级。另一方面，不同时期的地层中含有不同类型的化石及其组合，而在相同时期且在相同地理环境下所形成的地层，只要原先的海洋或陆地相通，都含有相同的化石及其组合，这就是生物层序律。

图2-1 地层层序正常时相对年代的确定

a．地层水平;b．地层倾斜

1—5表示地层从老到新的顺序

图2-2 地层层序倒转时相对年代的确定(遭受剥蚀)

1—5表示地层从老到新的顺序

综合地层层序律与生物层序律的规律并加以运用，就成为系统地划分和对比不同地方的地层，恢复地层形成顺序的基本方法，从而为研究生物的演化阶段和全过程奠定了基础。图2-3表示了根据岩性、化石和地层层序等特征，划分和对比甲、乙、丙3个地区地层的情况，以及在地层划分和对比的基础上，通过恢复3个地区完整的地层形成顺序而建立起来的综合地层柱状图(图2-3)。

应该指出，有些生物对环境变化的适应能力很强，虽经过漫长的地质历史，但它们的特征没有明显变化。如舌形贝(lingula) 在5亿多年前即已在海洋中出现，至今仍然存在。因而这种化石对于确定地层年代意义不大。对于研究地质年代有决定意义的化石，应该具有在地质历史中演化快、延续时间短、特征显著、数量多、分布广等特点，这种化石称为“标准化石”(indexfossil)。

(二)古生物化石确定地质时间

1. 古生物化石的概念

通常使用的“化石”一词实际上是一个贬义词。但正像我们现在了解的一样，最初这个词是指地下挖出的一切物体。“化石”一词来自拉丁文，意思是指地下挖出的东西，因此地下挖出的各种岩石和矿物以及动植物的遗体都称为“化石”。后来“化石”一词就只限于指岩石中那些石化了的动植物遗体。最初，人们把各种各样的生物化石视为珍宝或古董。1769年，贝林格教授发表了《维尔茨堡石印》一书，在这本书中他认真系统地“描述”和“说明”了200个“化石”。但遗憾的是，所描述的标本都是伪造品。这些“化石”很可能是他的学生安排的“恶作剧”，把这些标本埋于教授的“化石”采集地。《维尔茨堡石印》一书一出版，贝林格教授就发现自己上当了，为了挽回影响和自己的名誉，他几乎买下了出版商的全部库存书，并把这些书封藏起来。不过，当贝林格教授死亡以后，仍有不少书留在世上。这些伪造品就是德国著名的Lügensteine，字面的含义是“骗人的石头”。1731年，谢切尔把一个巨大的爬行动物描述为“类人猿”(Homo tristis)，他认为这个爬行动物是人类的骨架。类似这样的误解和错误还能例举出许多。不过，正是类似这种有意义的发现，引起了人们对地球上栖息过的生命演替的了解。著名的地质学家史密斯指出，地层中含有的某些特有化石分子能指示出比较确切的地质年代，故把它们称为“标准化石”。

图2-3 地层划分与对比及综合地层柱状图

柱状图右侧标出的符号代表不同的化石及其组合，不同的层位有不同的化石组合，图中同一年代的地层用虚线相连

2. 古生物化石的形成

现在，我们有必要了解一下生物的遗体是如何在漫长的地史时期保存下来的。一般来说，生物一旦死亡，其有机部分就会很快腐烂。在有氧的情况下，氧化作用就会缓慢地进行，最后的产物是氧与氢、碳、氮、硫、磷的简单结合物。然而在缺氧的情况下，可能会出现发酵现象，从而产生碳和氮的混合物。有时有机物腐烂气体的释放通道孔还保存在沉积岩中。此外，生物死亡堆附近生活的细菌以及其他有机生命也能引起生物遗体的腐烂。一般来说，生物体的硬体部分较软体部分耐腐蚀，也容易保存和埋藏于沉积物之中。在比较好的保存条件下，一些完整的生物体或者是部分生物体可以它们的原有形态保存下来(图2-4、图2-5)。这种现象常发生在永久的冻土地区，如西伯利亚冰期保存下来的完整猛犸象化石。盐类渗入、石油和石蜡对生物组织的浸染能起到类似的效果。波兰南部斯塔鲁尼亚发现了保存十分完好的披毛犀就是其中一例。当生物遗体经搬运以后，就会出现破损或侵蚀现象，以致变得难以辨认。但是，在适当的环境下，大量的动物遗体能够堆积下来埋藏于沉积岩中。典型的实例有浅水或近岸壳滩、多种贝壳化石层和“贻贝带”。

图2-4 保存完好的三叶虫化石标本

图2-5 保存完好的狼鳍鱼化石标本

在多数情况下，化石往往又是岩层中比较重要的组成部分。随着上覆沉积物的不断覆盖，下伏沉积物就渐变为致密状，尔后经沉积压实作用成为岩石。化石也参与了这一系列的变化。随着压力的增加，岩石发生的最重要的变化表现在岩石孔隙度缩小和岩石的脱水作用，这个过程伴有一系列的化学反应。在这里我们不去深入讨论，但我们要知道这个过程就是岩石的成岩作用和化石的石化作用。值得一提的是，这种过程要历经漫长的地质时期。很显然，化石只保存在最良好的环境下，而且只限于沉积环境之中，不会在火成岩中出现。火成岩是岩浆冷凝结晶以后形成的，沉积岩则主要形成于海水或湖泊，且大多数化石曾生活于水体中。大陆上的动物死亡以后，就会马上分解掉，保存为化石的情况往往很少。

3. 古生物化石的用途

绝大多数化石是埋藏于沉积物中的生物遗体的硬体部分，并且经历了化学作用的改造。比如硅化或钙化后的化石，常经得起敲打。生物遗体迅速埋藏以后，就会被矿物的微小颗粒转换。有时，生物的硬体部分也可能被分解掉，在围岩中留下有机体形态的空洞。比如，软体动物的外壳分解以后，常充填了泥、黏土和砂等物质，但这些铸模仍保持了原来化石结构和构造的特征。碳化作用对于植物化石的保存起着特别重要的作用。在空气缺乏的情况下，植物的纤维组织可以还原为碳质，煤就是以这种方式形成的。含煤地层中含有极丰富的动植物化石遗体，特别是晚古生代石炭纪煤层和早新生代第三纪(古近纪+新近纪)的褐煤地层中。煤层的顶底板页岩中常保存有十分完好的植物叶、果实、枝和茎的印痕。有的化石很小，往往只有借助显微镜才能看到它们，我们把它们称为“微体化石”。别小看这些很小的化石，它们对于寻找石油等沉积矿产具有十分重要的价值。因为它们可以确定沉积地层，特别是对中生代以来的地层极为有用。地球上一切生命的单向发展或演化均为地质年代提供了极其宝贵的“日历”，因此地质学能够和生命的演替紧密结合起来，构成生物地层学。

化石不仅仅是保存在沉积岩中引人注目的“古董”或美丽的“物品”，更重要的是它能够记录整个生物世界的演变过程，而且还能提供“地史日记”以及沉积岩所记录地质事件的线索。今天的古生物学再也不是中世纪私人收藏化石标本的时代了。比如说，现在已能够借助质谱仪测出某些化石外壳的两个氧同位素的含量。同位素具有相同的质子数，但中子数却大不相同，因此它们的原子质量数各有千秋、相互迥异。有机质体系中轻、重同位素的比率取决于温度的高低，因此根据化石外壳同位素的比率就可以测出当时其生活的温度。