荆山楚水间的地球故事

马福军 王秋军 董俊玲

荆山楚水间的地球故事

马福军 王秋军 董俊玲

美丽的宜昌

宜昌三峡地区不仅风景怡人，也是地质研究者的天堂。“海纳百川，有容乃大”，这句话在地质领域中尤其适用，对每一个从事地质研究的人来说，都渴望到世界上地质现象最典型的地方去。2013年10月28日至11月4日，来自中国科学院南京地质古生物研究所（下称“南古所”）以及兰州大学等高校的学生和研究生共54人，一同奔赴湖北宜昌“三峡地区”参加了由南古所组织的2013年研究生野外现场教学。作为兰州大学的一份子，我们有幸参加了这次野外考察，跟随老师走进地质学家的天堂——宜昌三峡。此次实习是在国家自然科学基金委特殊学科点基金和现代古生物学和地层学国家重点实验室的支持下，旨在通过对我国前寒武纪至中生代一系列经典野外剖面进行系统考察，并通过科研人员的指导和同学之间的合作，提高研究生的野外实践能力，逐步培养对地质工作的热情以及团队协作的精神。在前4天的考察过程中，由南古所研究人员担任指导老师，带领我们大家前往峡东以及兴山地区考察了前寒武纪——中生代的经典剖面，了解了三峡地区的构造背景及地层序列。此外，在后面4天的时间里，大家分组在带队老师的指导下对各自的研究剖面进行了实测采样和深入研究，完成专题任务。考察中我们不仅领略了三峡风光的新奇秀美，更欣赏到亿万年来形成的、珍贵的地质遗迹和原始的自然风貌。

大美宜昌

10月26日，从黄河之滨的兰州出发，10月28日我们到达了这次旅程的目的地——宜昌。宜昌，如它的名字一样，适宜人居，繁荣昌盛。美景与江水的滋润，巴楚文化的浸染，让这里从古至今一直美丽。三峡铺展山水画廊，屈原祠传承明清风格，神农架描摹人与自然和谐，中国一流，世界知名。在这里，既可以欣赏神秘原始的峡谷风光，更可以探究历史人文留下的深深印痕，感受与文人相得益彰的美丽故事。

宜昌不仅风景美丽，也是我们地质研究者的天堂。从距今18亿年前的元古界到距今百万年前的新生界的各个地质时代的地层均有分布，且发育完整，出露齐全，其中许多典型地质剖面在中外地质领域享有盛名。世界著名地质学家李四光在考察了三峡地区地质地貌后，完成《李四光地质力学构造形迹》而成为一代宗师。宜昌市地质构造总的轮廓是：区内中、北部为黄陵背斜，东边有当阳盆地，西边为秭归盆地，南边为长阳背斜、仁和坪向斜，西南边为五峰向斜，西北边为神农架背斜，北侧为台缘褶皱带。从地质力学角度看，为新华夏系一级构造第三隆起带南段与淮阳山字型构造体系的复合部位。海洋转陆地，盆地成高山，沧海变桑田。漫长的地质岁月虽然一去不可复还，但它记录的极其珍贵的遗迹却遍布在宜昌的地层之中。每一段岩层，每一块岩石似乎都有生命，向我们说明了几亿年前地球上发生的一切……

“雪球地球”的故事

10月29日，由朱茂炎研究员和李国祥研究员带领我们考察了三峡地区前寒武纪——寒武纪转折的地层以及古生物。当我们游览于群峰辗转于幽谷之时，借助岩石特征去追溯那地质历史的轨迹，探究那沧海桑田的渊源。这里具有世界上较完整的前寒武纪地层，地质构造完整，地层出露齐全。既保存着前寒武纪、寒武纪的化石群，又显露重要的地质遗迹，如南沱组冰碛岩及“雪球地球”事件、陡山沱组盖帽白云岩及气候回暖事件、震旦——寒武系黑色岩系及成矿作用等，具有全球对比意义。这里我们只是抛砖引玉，简单介绍一下南沱组冰碛岩及其中的“雪球地球”故事。

南沱组冰碛砾岩

南沱组为冰川堆积，主要为巨块状冰碛泥砾岩，总体绿灰色，少数为紫红色。砾石大小不一，分选性差，形状多样，成分复杂，常见砾石上有擦痕或钉字形凹坑。就在这些杂砾岩有擦痕或钉字形凹坑之中，地质学家解剖出了这样一个信息：那就是7亿年前的新元古代后期，地球有可能经历了一次非常大的冰河期，当时冰河可能一直延伸到如今的热带地区。冰河期的一个显著特征是由冰川事件形成的与众不同的沉积层——冰河流动侵蚀地面，并沿途带走大量的岩石，因此在冰川移动之处都会留下冲刷的痕迹。冰川作用的另一个显著遗迹是它往往会产生非常大的岩石，通常被称为漂石，这些漂石随着冰川活动被带入海里，最终滚落进入海底沉积物中。

更为惊奇的是，科学家发现在距今8亿到6亿年前，地球剧烈的气候变化有可能使地球变成了一个“雪球”。也就是说，如果在8亿年前，从火星上拍摄一张地球照片的话。那么我们看到的景象可能不会是一个蓝色的球，而是一幅黑白图景，没有我们今天熟悉的蓝色海洋和绿色大地，只有一片白茫茫的冰雪覆盖在黑黝黝的土地上，地球看起来只是悬浮在太空中的一颗毫无生息的白色“雪球”。地球上所有地方都像如今的南极洲一样千里冰封，海岸线上的积冰至少有1000米厚，内陆地区的冰雪层更厚。当时地球气温低至零下40℃，所有的湿气都被冻结出空气，只有火山爆发时才有云雾产生。除了冰川开裂的声音，以及偶尔的地震轰隆声和火山爆发的巨响之外，地球是一片寂静沉默的世界。

“雪球地球”？难以名状的心灵冲击，虽然眼前的一切是平静的，但平静中你能感受到一种大自然的力量，沧海桑田，风霜雨雪，一切都在沉默中改变。所有的推断和发现，让我们不得不感叹：日升月落还在继续，今天蔚蓝色星球，何以在亿万年前形成“雪球地球”？有科学家提出，关键在于地球的反照率，即地球反射而不是吸收太阳辐射所达到的程度，反照率的影响有可能非常巨大。在冰川期，覆盖大地的皑皑白雪提高了地球对阳光的反照率。如果地球温度冷到冰盖足以覆盖半个地球表面，冰川到达南北纬度30°的地方。地球就像一个晶莹闪耀的雪球，将大量阳光反射回太空，而地球自然变得越来越冷，并很快达到全球冰封的程度。这样，只需要几年甚至更短时间，地球就会变成一个几乎完全被冰雪覆盖的星球。

面对沧海桑田的变迁，人类不能不为大自然的力量所折服。大自然用它的巨笔不停的在地球上作出了一幅幅令人叹为观止的画卷，无时不刻的改变着地球的容颜。谁能知道，明天的地球将会是怎样的呢？

地球年轮——熠熠生辉的金钉子

初次听说“金钉子”，想当然认为是一枚黄金做的钉子。后来才知道，所谓“金钉子”是一种永久性纪念标志的代名词，源于宣告美国首条橫穿美洲大陆铁路竣工时打下的最后一颗用18K金制成的钉子。而后，“金钉子”被地质学引用，作为“全球年代地层单位界线层型剖面和点位”的俗称，学名为Global Stratotype Section and Point（简称GSSP），也就是说“金钉子”是标志地质年代分界线的代表地点。地球已有46亿年历史，时间长河在岩石地层上留下了烙印。如同记录年代的单位年、月、日一样，岩石地层也有它自己的年表，依次分为宇、界、系、统、阶。其中，阶是基本单位，可以由“金钉子”来确定其底界。而每一枚“金钉子”的获得，既表明一个国家地层古生物学研究跻入国际先进水平，又是一个国家的崇高荣誉。

截至目前，我国已经获10枚“金钉子”，湖北拥有其中两枚，分别为宜昌王家湾上奥陶统赫南特阶底界界线层型剖面及点位、黄花场中奥陶统底界暨大坪阶底界界线层型剖面和点位。2枚“金钉子”相距不到20公里，在世界上十分罕见。10月30日，对我们来说无疑是个好日子。在短短几个小时的时间里，由李越研究员和樊隽轩研究员带领我们去拜访了这两枚金钉子：黄花场“金钉子”和王家湾“金钉子”。那天，老天似乎是在嫉妒我们的好运气，一整天都阴沉沉的，淅淅沥沥的雨滴滴答答下个不停，蓄着丝丝寒意，氤氲了整个世界，但无法氤氲的是我们兴奋不已的心情。

上午，李越研究员带领我们拜访了黄花场“金钉子”，它是世界第66枚、中国第7枚、也是地球年轮中奥陶纪的最后一枚“金钉子”，距今4.72亿年。到了黄花场，半山坡间，有一块水泥制作的小小碑牌竖立着，一个敞开的手提电脑那么大，上有黑色的GSSP字样。“那就是金钉子的精确位置”，李越研究员说：虽然看起来不起眼，它却是经过世界级的巅峰对决，一波三折才获得的。这里面包含了它的发现者汪啸风教授团队30年的积累和6年的拼搏。当时，中国的“黄花场剖面”与美国的“白石剖面”、加拿大的“纽芬兰牛头群剖面”和阿根廷的“尼吉威尔剖面”曾进行马拉松式的竞争，经过世界各国评委两轮秘密投票，才敲定了地球奥陶纪最后一枚金钉子。

我们跟随李越研究员拾阶而上，在“黄花场剖面”纪念碑旁边的亭子里，看到了神秘的“三角波罗的海牙形石”模型标志。模型虽然很大，真正的牙形石其实很小，肉眼是看不到的，可以想象汪啸风教授和他的团队经历了怎样的大海捞针的探索之旅才找到三角波罗的海牙形石的。最后，我们来到世人瞩目的“金钉子”纪念碑前，纪念碑高大坚实，令人心生敬畏，纪念碑下是黄花场剖面指示碑，这一切，即组成全球中/下奥陶统划分和对比的唯一标准。这颗金钉子是奥陶系最后一颗，标志着全球奥陶系年代系统的最终建立。

黄花场“金钉子”说明碑

三角波罗的海牙形虫

秋雨，依旧淅淅沥沥，洋洋洒洒，泛滥着思绪！眼眸平行处，层层叠叠的雨雾，在空气中飘飘扬扬。行走在雨珠轻轻落下的路上，恍然能呼吸到泥土的芬芳；心绪，在这一刻也跟随三角波罗的海牙形石去穿越遥远的奥陶纪。朦朦胧胧，影影绰绰。思绪还在牙形石的世界中深呼吸，不觉中，樊隽轩研究员带领我们开始了探秘王家湾奥陶系赫南特阶的金钉子旅程。它是宜昌第1枚“金钉子”，地点位于夷陵区分乡镇王家湾村，距今4.456亿年。2006年5月，国际地科联正式批准确立中国湖北宜昌王家湾剖面观音桥层底0.39米处为全球古生代奥陶纪末期赫南特阶底界的金钉子，以异形正常笔石的首次出现为标志。这一金钉子的确定为研究奥陶纪末期的古气候、古环境变化及生物大灭绝等种种谜团提供了一个基础。

亿万年来地球的沧海桑田运动抹掉了生物大灭绝时的凄惨，然而再高明的“罪犯”也会留下蛛丝马迹，这些细微的证据在这个位于乡村公路旁毫不起眼的王家湾剖面岩层中。戎嘉余院士和陈旭院士带领研究团队，年复一年，拿着地质锤、放大镜和罗盘，一公分一公分、一层一层地仔细观察着岩石，试图解读岩层中隐藏着的诸多地质信息。在付出了巨大的毅力和耐心后，他们终于读懂岩层中记录的奥陶纪末期海洋动物大灭绝的故事。在奥陶纪末期王家湾地区是一片海洋，在这看似平静的海洋中，发生了奥陶纪末期两幕式的生物大灭绝。第一幕大灭绝的主幕，就是以笔石动物为主的生物群大部分灭绝了，仅世界广布的少数物种残存下来，其主要原因是海平面发生五十到一百米的大幅度下降和海水五到十度的降温。而大灭绝的第二幕发生在腕足类动物之中，它们在第一幕灭绝后出现，也就是说这些腕足类动物是在温度降低之后的海洋环境中出现的，它们已经适应了较低的海水温度，科学家们把它们称为凉水动物群，它们灭绝的原因依然是水温的变化，不过这次不是海水变凉了，而是海水变热了。当时的地球跟古生物开了一个大玩笑，地球的气温突然变热，冰盖迅速消融，全球海水温度迅速升高。这个大变化，又给生物界带来了新灾难。但是这个灾难比较小，第二幕的规模相对小一些，因为在第一幕灭绝后的生物已经比较少了。至此，奥陶纪末期生物一大一小两幕式灭绝的真相大白于天下。

王家湾“金钉子”纪念碑

王家湾“金钉子”纪念碑背面观

波痕的故事

在领略了海相地层所独有的魅力之后，10月31日下午，我们在王永栋研究员和张海春研究员的带领下，去见证了峡东地区陆相地层别样的风采。从香溪植物群的多样性，到炭屑中记录的森林火灾，再到钙质结核中蕴含的古CO2信息，一幕幕地球故事，映入脑海。每一个故事都很精彩，但是对我而言，记忆最为深刻的还是泄滩组砂岩中蕴藏的地球故事。

在泄滩组砂岩发现有排列整齐呈波状起伏的纹路，这是由水流流动时将河床表面沉积物搬动所形成的波状结构，称为波痕。一般在野外看到的波痕大小只有十数公分长。这次比较幸运可以看到长约1公尺以上巨大的波痕，这种机会是极少的，因为巨大的波痕必须由较强的水动力能形成。此外，波痕遗迹有幸保存，还因为它们具有抵抗大自然风化剥蚀的神奇力量，在岩层中埋藏了上亿年之久，在近万年的地质运动中逐渐裸露出来。这些精美波痕的出现，不仅是一种视觉享受，还有着更多的科学价值：确定当时的沉积环境，解读远古的地质信息。

泄滩组河流波痕

指导老师让我们仔细察看波痕的结构，突起的部分称为波峰、凹下的称为波谷。当前波痕从波峰突起的外型来看，两侧斜面呈不对称形型，以此就可以知道是由单向水流作用所致，进而可以确定一个水流的大方向。不对称型波痕有一侧较大且较缓，另一侧较小且较陡；水流是由斜面较缓的流向较陡的方向。不同的波痕讲述的是不同的故事。此外，在波痕的表象还有更为细致的遗迹化石，这些化石记录着岩石在亿万年间所经历的沧桑巨变。遗迹化石也称痕迹化石，是指保存在岩层中各类生物生命活动时留下的痕迹和遗物，它所反映的是生物的生命活动，行为习性和觅食营养活动的细节。抚摸着岩石上的波痕，仿佛遁入了那个未知的远古，涓涓细流又仿佛在耳边响起，各种生物活动映入眼帘。遗憾的是，波痕遗迹并不是一种可以长久留存的，随着岁月的推移，它们终有一天会走出我们的视线，但是今天的河流中会有更多的波痕留给未来。

短短几天的野外现场教学，听闻的精彩的地球故事绝不仅仅这三四个，而书写于岩石之中的地球故事更是枚不胜举。此处我们只是抛砖引玉，而更多精彩的故事需要更多的你和他去挖掘，来讲述，因为地球的故事就书写在岩石之中。虽然这本历史之书已经被撕碎，仅存的部分也散落于四处。然而，它终究还是在那里，最为重要的部分仍旧清晰可读。地质学家们不知疲倦地拼凑这些看得见摸得着的地质遗迹，解读其中的地球故事。

最后，感谢南古所各位老师所提供的帮助和支持！感谢兰州大学孙柏年教授给予我们这次野外实践的机会！感谢南古所马譞和杨慧宁同学提供的部分珍贵照片！

作者单位：兰州大学地质科学与矿产资源学院

泄滩组遗迹化石