五台叠层石和巨型核形石

张彦涛

懵懂少年时，你我都梦想着去改变世界，去过绚丽多彩的人生。但是，复杂的现实生活让我们懂得，拥有理想可以是简单而美好，想要实现它却很难。正所谓大道至简，大简至美，处心积虑的去丰富生活往往不能达到目的，而当你一心一意的去做一件事情时，人生反而变得丰满绚丽。大学时，一段难忘的实习经历让我见识了最简单生物壮美的生命历程，品味到了科学工作者的人格魅力。

2013年8月底，一封来自佘老师的邮件，解救了我单调而又苦闷的暑假生活。我们“前寒武”课题小组要到五台县东冶镇进行滹沱群的野外地质考察。我一下子振奋起精神来，很快地整理、熟悉地质资料后，就在太原跟佘老师及师姐、师弟汇合，一起奔赴五台县。

到达五台县，正是好时候。那时的武汉在不断攀升的高温中发布着一个又一个的橙色预警，而五台县却是清爽宜人，我们住进一个静谧的小山村，对将要到来的探寻之旅感到无限欣喜，只因佘老师的一句话，“这里有中国最古老的，二十亿年前的叠层石”。

认知叠层石

次日清晨，翻过一处遍布灰绿色千枚岩、板岩的小山，红彤彤的巨厚层白云岩骤然出现在眼前，蜿蜒千里，舒展在广阔蔚蓝的天空下，叠层石发育其中，姿态万千。手指状的、短柱状的、穹隆状的、波浪状的……像一朵朵奇葩从容地盛开在岩石之中，泰然自若，万世长存。那一瞬间，时间仿佛定格了，我们都静静地欣赏着这些“自然瑰宝”，暗自惊奇：这里在地史时期应该是大规模的叠层石礁吧！

这些叠层石有的像苞菜，呈半球穹形；有的似一排排直立的圆柱体，一层叠着一层向上生长；有的像手指，下粗上细，频繁分叉；有时分叉的柱体又会连在一起。它们的形态、高度、直径常有变化，但都具有纹层状构造，纹层厚度不过1毫米，明暗相间，接近边缘时纹层会变得更薄并下弯，与围岩的界线很清晰，简直是自然的杰作，精细的纹层由更为细小的隐晶质白云石构成。

“叠层石到底是岩石还是生物化石呢？”，小师弟不解地问。

佘老师回答说：“它是叠层状构造的微生物岩，是蓝细菌生物席周期性地生长和代谢的建造物”。

“如此精巧的结构是如何形成的呢？对于遥远岁月过去以后的我们又有什么启示呢？”小师弟迫不及待的追问。

“这要从它的形成过程说起，叠层石生长的基底是蓝细菌生物席，蓝细菌能够利用阳光产生能量并释放氧气，是光养型原核生物。在其新陈代谢过程中，如果条件合适，细胞会沿着地面平行排列，并产生胞外聚合物（EPS），这种柔软的粘液捕获、粘结Ca2+、Mg2+等离子，并促使这些离子与海水中的CO32-聚合结晶而形成一层一层向着太阳“生长”的石头。在形成EPS层后，细胞与光的响应被阻断，中间细胞接受的光照时间多于两边细胞，从而使叠层石呈中间高两边低穹状隆起。像植物一样，叠层石的“生长”受到地球自转和公转周期等因素的影响，因此它们的形成过程可以记录地史时期天体的运行规律：在距今约20亿年以前，地球绕太阳公转一周，地球至少要自转460周，月球绕地球旋转1周至少需要42天，地球自转1周最多仅需16.05小时。”

a.含叠层石厚层白云岩；b.苞菜状叠层石白云岩；c.紫红色硅质叠层石白云岩；d.柱状、枝状叠层石白云岩；e.大型穹状叠层石白云岩；f.叠层石顶部截面

听完佘老师的讲解，我不禁想到：这些地球上最简单的生命，能雕刻出这样美丽、神奇的地质奇观，真是令人震惊。然而令我更为震惊的是学术界对它的评价：蓝细菌的繁衍像蝴蝶效应一样，改变了地球的面貌。

地球早期并不宁静美丽、风光旖旎。当地球诞生约十亿年后，太阳系的狂暴时期渐趋结束，密集的陨石撞击慢慢平息，而在火山和岩浆的统治下，大地仍然灼热，天空笼罩着浓烟，海洋都快要沸腾了，空气中没有氧气，海洋中仅有种类和数量都非常稀少的原核生命。原始生命的演化非常缓慢，直到蓝细菌出现，通过光合作用制造出了氧气，地球才从这恐怖的噩梦中醒来。又经历了漫长的演化历程，地球才变成现今一派生机勃勃的景象。

大气圈氧气含量上升大致可以分为三个阶段，一个是从缺氧到含氧状态的转变，这个转变发生在距今20～24.5亿年期间，就是著名的大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）。在此之前，大气氧分压＜10%-5%PAL（Present atmosphericlevel，PAL，指现代大气氧分压水平，2p.p.m.v.），那时古土壤未被氧化，炭质页岩中也没有富集氧化还原敏感元素。相比之下，距今24.5亿年之后的浅海沉积物演变为氧化的条带状赤铁矿，富含硫酸钙的蒸发岩，海水硫酸盐浓度大大增加了。距今20亿年到18亿年之间，氧气含量又降低到距今24.5亿年之前的水平，距今18亿年之后，大气的氧分压约为5%–18%PAL。另外一次氧化事件使大气从较低的含氧水平（10%PAL）升到接近现代大气氧气含量水平，大致发生在距今5.42～8亿年期间，该事件被命名为新元古代氧化事件（Neoproterozoic Oxidation Event，NOE）。

大气氧浓度推测变化图，修改自（Canf i eld, 2005）问号表示该时期的氧浓度还不确定

在这两次大氧化事件中蓝细菌扮演了十分重要的角色。它转化太阳能，在代谢过程中固定CO2，释放O2，并产生连锁反应，使地球表生系统发生了非常重要的变革。一方面，氧气作为一种强氧化剂，促进了大陆风化和物质（包括生物必须营养元素C、N、P、S等）循环速率加快；另一方面，氧气作为一种良好的电子受体对生物的新陈代谢非常重要，氧气急剧增加为真核生物的出现和生物的多细胞化奠定了基础。伟大的胜利属于不懈努力的勇士，蓝细菌在30亿年的日日夜夜中毫无畏惧，使出全力，为千千万万的生命吹响了黎明的号角，翻开了时代的新篇章。

一路上，我们像放牧山野的小羊一样欢呼雀跃，在佘老师的带领下攀爬在沟壑纵横的山坡，探寻一处处华丽的“自然瑰宝”。自古生命不能永驻，一切的生命，只要存在就要面临与环境斗争的命运，即使是创造奇迹的勇士，终也逃不脱大自然的选择规律，经历由盛而衰的过程。佘老师讲道：“最早的叠层石发现在距今35亿年前的太古宙地层中，那时的地球有且只有少量的原核生物，元古宙（距今25亿年前～7亿年前）叠层石发育得最为广泛，现在各位见到的滹沱群中的奇景就是冰山一角，后生动物出现后叠层石骤然衰退，现今只有澳大利亚、中美洲、中东等地一些特殊的环境中才能找到它们的踪迹”。

澳大利亚现代叠层石

午后的阳光和煦而温暖，我们在山体的背面吃起午餐来，有馒头、咸菜，还有牛奶、火腿肠，午餐虽然简单，但是吃得很惬意。我感受着阳光、空气和翠绿大地的热情，这样快乐充实的日子正是我所热爱的。餐后，我们又走了很远的路，我记得有一处小山梁，视野开阔，周围的一切都像在脚下，田野里的土豆花，油菜花，早已经争相开放了，胡麻花有两尺多高，多么美妙的风景！后来天色暗淡下来，我们搭乘了一辆路过的皮卡车，路上都是石子，皮卡车把我们几个盛在车斗子里，用力的颠，好像要颠到散架才肯罢休，我们也随着它跳，任脸上的汗珠被风吹干，大家挤在一起，咯咯笑着结束了第一天的探险。

奇遇“核形石”

次日早晨，下着蒙蒙细雨，我们一行五人爬上一座光秃秃的山，山体下部是花岗质岩石，上部是白云质岩石，一丛丛、一簇簇的荒草、青苔斑斑点点地覆盖在山体上面，低矮的灌木也极少，大部分岩石裸露着，山上没有路，岩石有点湿滑。在细雨中登顶时，空气中弥漫着水雾，夹带着青草的芳香，自然的风光和泥土的气息是那样沁人心脾，我的胸中无比舒畅。

雨过天晴后，丝丝清风吹拂面颊分外惬意，一路上都有惊奇，都有乐趣。走几步，就会看到一个圆突突的圈层状石头——核形石。我以前见过5厘米大小的，像这个都快50厘米了，尺寸差距太大了，没走几步又看到一个差不多大的，等走完这段羊肠小路，来到一块开阔地带时，这里有一块横截面近5米的巨型核形石！这样大的巨型核形石，究竟是怎样在辽阔的海洋里生长形成的？又是怎样经过几十亿年之后，完好无恙地呈现在世人面前的，一切都太过神奇，我们都想弄清楚它的传奇经历。师弟小杨对它的成因饶有兴致，佘老师笑容亲切地说，那么你就以此作为毕业论文的课题吧！

我们仔细观察发现，该巨型核形石发育于滹沱群大石岭组神仙垴段，横断面为椭圆形，具同心圈层结构，成分为微晶白云岩。长轴长达4.5米，短轴长约2.1米。横断面可见明暗相间纹层，长轴方向纹层近水平，两转折端处纹层多呈裙边状、波状。神仙垴段地层可见多个核形石出露，长轴直径2～4米不等，最小不足1米，整体规模较大。

滹沱群大石岭组神仙垴段巨型核形石

野外合影

核形石是叠层石吗？我们心中充满困惑。佘老师说：“核形石可归类为特殊形态的叠层石，即球状叠层石。同锥状叠层石一样，它也是粘附式的、纹层状的、石化了的沉积生长构造，这种构造从一个受到局限的初生面或一个生长点开始堆积”。核形石就是从一个生长点开始生长形成的，小杨很想找到它的核心，可惜核心位置已经被完完全全地白云岩化了。

欢乐的时光总是过得飞快，那个明媚的清晨与滹沱群山告别后，我们结束了此次野外考察，然后乘着南下的列车，奔往正值酷暑的武汉。在之后的日子里，我们几乎用了科学界现有的一切手段来研究叠层石，如磨制探针薄片，化学成分分析，C-O同位素测试，硫同位素分析，扫描电镜观察……通过叠层石探究古元古代地球的奥秘。在这个过程中，佘老师以身作则，教会了我们科研的两件事，一件是认真，一件是求实。

层层又叠叠，多少个年头的积累才能成就它出露地表时的壮美，就像科研，多少代师生的共同努力，才能打开庞杂地史的奥妙之门。叠层石和核形石虽然有相似的纹层结构，却有各自独特的个性，就像我们，出生各异，禀赋不同，却在同一个领域奋斗，以我们义往无前的勇气，和脚踏实地的精神，给这个大千世界挥上色彩斑斓的一笔。