探尋地層里的“時間”秘密

徐繼山

我們很早就知道，地球是具有圈層結構的。如果把地層比作蛋糕，那么我們可以更為清晰地理解它（們）的結構。

a.蛋糕是一層一層摞起來的;

b.每一層的味道也許不同;

c.每一層含有不同的水果，比如葡萄、櫻桃、草莓。

這樣的蛋糕，除了可以食用之外，還透露出許多有趣的信息。比如，蛋糕的底層會先被放置上去，依次再摞上一層層的蛋糕或奶油;通過品嘗蛋糕的酸甜，可以推知糕點師是不是加了過多的水果或果醬。另外，通過觀察蛋糕里的水果的新鮮程度，可以大概推知它們放置了多久。

其實，地層也是這樣分層的：酸甜可以代表環境的冷暖，葡萄等水果可以代表地層里的化石。所不同的是，地層的“糕點師”是自然的作用。

蛋糕與甘南和政地層（含鏟齒動物群）

有人說，地層不就是石頭和土嘛，為什么分成一層一層的？實際上，地層具有很強的“年代—事件”屬性，創造“地層”這個概念，就是為了得知時間、通曉地質事件。地層，為我們揭示了一個“有序”的世界。在漫長的地質年代中，“第四紀”是最新的“紀年”，從距今260萬年前開始至今。要想知道第四紀的“秘密”，我們就要切開地層這塊大“蛋糕”，按照時間序列去“品味”它們的滄桑歷程。

? “埋藏”的時間

生物，就像蛋糕里的水果。利用生物發展的不可逆性及生物的組合性，可以判別地層的新老關系。

古生物的范疇很廣，包括動物、植物和微生物。這種方法所要研究的不僅是它們的遺體化石，也包括遺跡，即它們的活動留下的痕跡。這種方法也很容易理解，地層是在一定地質環境下形成的產物，生物群體（群落）要在這樣的空間場所繁衍生息，最后被地層埋藏起來。把它們發掘出來加以研究，就能讓時間“倒流”，從而推知當時的情況。

在第四紀地層年代劃分中，經常用到的生物當屬有孔蟲了。在海洋古生物中，有孔蟲個頭很小，只有幾毫米到幾厘米，大部分只能在顯微鏡下觀察。它們在地域上分布非常廣泛，存在的時間跨度也非常大，自寒武紀以來，一直到現在，都有它們的蹤影。

有孔蟲之所以得名，是因為它們都有一個孔口。這是因為有孔蟲是一種單細胞生物，要靠一個開口與外界進行物質和能量的交換。它們結構簡單，形態各異，有水瓶狀、放射狀、卷狀等，不一而足。古生物學家鄭守儀院士別出心裁地建了一個有孔蟲雕塑公園，把有孔蟲放大成百上千倍，制成模型陳列起來。置身其中，你可以清楚地看到：它們有的像大炮，有的像斗笠，有的像手雷，有的像葉子……可謂千奇百怪，琳瑯滿目。

在20世紀中期，學術界還在為第四紀的“界線”發愁：第四紀沉積的第一層地層究竟劃分在哪里合適？誰說了算數呢？只有讓自然本身“說話”，才令人信服。1948年，在第18屆國際地質大會上，地質學家就建議把海相地層劃歸在意大利南部的一組地層中，因為在這一海相地層中含有一種喜冷有孔蟲，而第四紀的開始正是以全球普遍變冷為標志的。再對這些有孔蟲進行同位素測年，可以探知地層的年齡為180萬年，從而劃定了第四紀地層和時間的界限。所以說，小蟲能確定大問題！

“飄散”的時間

氣候的影響是多方面的，如冷暖、干濕、海平面升降、冰川遷移、冰期變化、植物遷移，以及其他沉積環境的改變，等等。第四紀全球性或大區域的氣候變化既有一定的先后順序，也有一定的發展趨勢。按照氣候變化的“規律”，結合我們對地層數據（如深度、位置、范圍、結構、成分等）的分析，就能得到時間（地層年代）與氣候之間的關系。

通常，我們可以根據植物化石、沉積物和化學元素的變化來探知氣候信息。例如，對于植物化石來說，草本植物對應著冷干，木本植物對應著暖濕;在沉積物中，黃土對應著冷干，紅土對應著暖濕;在化學元素中，碳酸鈣含量高對應著冷干，碳酸鈣含量低對應著暖濕，等等。這里，我們以“孢粉”為例來說明。“孢粉”是孢子和花粉的簡稱。孢粉的個頭非常小，通常在10～200微米左右，它還有一個像熱氣球一樣的氣囊，可以飄散到很遠的地方，甚至到千里之外。

我們想知道的是，這些孢粉中有多少是草本植物的，有多少是木本植物的。如果我們能夠得知地層中孢粉的類型和含量，通過比對，就可以知道氣候變化的情況。比如，在蘇北盆地的一處鉆孔中得到木本孢粉含量的變化曲線（如下圖所示），C1所對應的地層木本含量微弱，其沉積時間恰好與歐洲的“新仙女木事件”相對應。

“新仙女木事件”是末次冰期的最后一次寒冷事件。其實，“仙女木”和“仙女”沒有什么關系，它只是一種極地植物。在距今1萬年前，全球突然進入了一個冷期。寒流來得非常突然，雖然只有短短的1300年，但造成了猛犸象、劍齒虎等史前巨獸的滅絕。由于在歐洲的一些地層中發現了北極的仙女木這種植物，因此將此命名為“新仙女木事件”（之所以稱之為“新”，是因為在這之前還有兩次同樣的事件）。北極的植物遷徙到了歐洲地區，說明氣候是變冷了，北極的勢力范圍擴展了。

再回到對蘇北盆地的研究，C1所對應的地層木本含量微弱，說明蘇北地區也在當時（約1.28萬年前）經歷了一次劇烈降溫的事件。在那時，同緯度山地地區可能也有冰川的存在。

“變色”的時間

時間的變遷，以及隨著時間變化的氣候狀況，也會反映在巖土的內外特征上，比如顏色、成分、結構、構造、組成、形態等。研究這些特征，屬于巖石地層學的方法。在野外工作中所遇到的情況，不外乎以下3種：一是顏色，反映沉積物的成分、沉積環境和氣候;二是成分與結構，反映沉積環境穩定程度;三是特殊標志層反映突變沉積事件。

在我國北方地區廣泛分布著黃土。這些黃土的顏色，其實并不是一片黃，而是亮黃色和暗紅色交替出現的。亮黃色的是黃土，暗紅色的是古土壤。黃土與古土壤的顏色差異，主要與碳酸鹽、有機質和鐵氧化物的含量變化有關。黃土堆積期氣候相對冷干，碳酸鹽含量高，有機質和鐵氧化物含量低，土壤亮度偏高而紅度偏低;古土壤發育期則氣候相對暖濕，碳酸鹽含量低而有機質和鐵氧化物含量較高，土壤亮度偏低而紅度偏高。

那么，如何確定顏色呢？單憑一雙肉眼，顯然是不客觀的。因為顏色涉及到亮度、對比度、色調等方面，且巖土體的水分含量不同也可能會造成對顏色的識別不準確。因此，需要一種更為科學的、定量的研究手段。巧的是，紅度與磁鐵礦的含量具有很強的相關性，通過測試黃土的磁化率，再結合黃土的顏色，進而就能準確推知氣候變化的情況。

“流失”的時間

時間的變遷，還會體現在地貌體的特征變化上。利用地貌體相互切割、過渡、掩埋等空間上的相對關系，就可以對地層序列進行標定。這種方法對層狀地貌，如夷平面、剝夷面、階地及層狀溶洞的研究非常有用。這是因為地貌的發展是一定地質過程下的產物，了解了地貌發展的過程，就能確定地層的先后順序。

有孔蟲殼的構造

有孔蟲結構

為便于理解，我們舉例加以說明。渭河發源于甘肅省渭源的鳥鼠山，沿著秦嶺北麓向東流至陜西潼關匯入黃河，全長達818千米。野外調查發現，該段河流發育著7級階地（如圖所示），即從下向上數，有7個“臺階”，分別為第1級階地（T1）、第2級階地（T2）……一直到第7級階地（T7）。問題就來了，這些階地，哪個階地老，哪個階地新呢？那就要搞清楚這些河流階地是怎么形成的。按照地貌演化序列，河流對盆地的下切深度是逐漸加深的，在侵蝕河流的同時，也在沉積著地層。于是，這些河流階地便最終形成了這樣的構造：T7階地的年齡最古老，從T6、T5依次到T1，它們的地層年代依次變新。那么，又是什么力量造成了河流的下切呢？

放大了成百上千倍的有孔蟲的雕塑（從左至右依次為：龍骨節眼蟲、拜拉門帕內萊納蟲、異面不等蟲、六角卵蟲）

研究表明，該地區地處青藏高原與黃土高原交匯地帶，容易受到板塊抬升作用，加之氣候變化的影響，流水一刻不停，層層侵蝕大地。測年數據表明，T7對應的時代大概為距今8～9萬年左右（晚中更新世），T1對應的時間為距今1萬年左右（全新世），所以該河流階地的剖面大概記錄了晚中更新世到全新世以來的“地質—氣候”變遷過程。

“彎曲”的時間

地層是一層層沉積而成的，原生地層是比較平整的。但是，在漫長的地質歷史中，這些地層還可能會受到各種內動力地質作用的影響，使它們彎曲、破裂，甚至發生天翻地覆的變化。就像偵查斷案一樣，細致考察地層中留下的各種“蛛絲馬跡”，推知它們的形成原因，就能還原整個過程，進而進行地層劃分和對比。

意大利南部的卡拉布里地層剖面（編號e 之上的粘土巖層為第四紀底界）（據B.Pillans，2013）

比如，一種常見的地質構造——褶曲，它是一種地層彎曲的現象。如圖所示，向上聳起的叫背斜，向下拗沉的叫向斜，它們都有自己的“核”（中心）和“兩翼”。在野外工作中，如果知道某地區是一個褶曲構造，就能很好地判斷這一片地層的新老關系。這是因為地層的沉積主要是靠重力作用層層疊加起來的，就像“蓋樓房”一樣，先蓋第一層，再蓋第二層，依次沉積起來，因而下面的地層要老于（或先于）上面的地層。褶曲運動，改變了地層在地表上橫向出露的順序：對于背斜來說，從兩翼到核部，地層是逐漸變老的;而對于向斜來說，從兩翼到核部，地層是逐漸變新的。就這樣，地層一會老，一會新，時間也隨著地層的彎曲發生了“彎曲”。

蘇北盆地鉆孔孢粉含量變化情況（據蕭家儀等，2005）

黃土-古土壤序列

渭河上游階地剖面（據潘保田等，2007） 地層的褶曲確定相對年代。

地層在年代上的順序，藏著地球變化的許多秘密。如果想要更為精確測定地層的時間，那就要用到測年方法。比如，對遠古人生火形成的灰燼進行碳同位素測年，對珊瑚中的氧同位素進行測年，對火山巖中的鉀同位素進行測年，等等，可以根據同位素衰變的速率，計算時間過去了多少。可以說，它們都是自然的“時鐘”。有了時間，自然就可以憑借各種力量在大地上自由書寫，從而造就精彩紛呈的大千世界！

致謝：感謝國家自然科學基金專項項目（42042054）、中國礦業大學教學研究項目（2020YB20、2018ZX06）、中國礦業大學研究生教育教學改革研究與實踐項目（2019YJSJG011）、地質工程專業國家一流專業建設點資助項目、江蘇高校優勢學科建設工程項目支持。