跟着地质学家走读西山（一）揭秘雪球事件与生命大爆发

2020-07-14苏德辰

知识就是力量 2020年6期

编者按：如果你是一個地质迷，你一定会知道“北京西山”。北京境内的西部山区统称北京西山，是太行山的余脉。北京西山是中国现代地质学的诞生地，被誉为中国的地学摇篮。2020年恰逢中国地质事业的开篇之作——《北京西山地质志》正式出版100周年。《知识就是力量》杂志编辑部联合中国地质科学院地质研究所研究员、自然资源部首席科学传播专家苏德辰老师为大家精心推出了地质科考研学课程——跟着地质学家探秘地球课。千里之行，始于足下，就让我们跟随苏老师的脚步，沿着109国道和108国道，一起走读西山，探索地球奥秘。

北京西山拥有异常丰富的地质现象，是中国地质学的发源地。1920年，由中国人绘制、撰写的第一份中文地质报告就诞生于北京西山。100多年来，成千上万的地质工作者在北京西山进行地质考察或实习，因此被称为中国地质的摇篮。而丁家滩-下苇甸之间的地层是北京西山沉积学现象最集中、又较容易到达的路线，在中国地学界久负盛名，许多地质迷走过十几遍甚至上百遍（图1）。

图 1 交通示意图

两个古村落隐藏着数亿年的地球史

丁家滩和下苇甸都是门头沟区著名的古村落，这里民风古朴，景色优美。两村之间的直线距离才2千米，沿着蜿蜒的永定河谷来走的话，相距也不足5千米。表面上看，两村之间的人文历史相似，风景地貌相同。但是，连接两村的层层岩石之间的年龄差却超过上亿年。一般的游客往往只注意到了永定河谷两侧峰峦叠障的美景，地质学家却在这些岩石之间寻找着经典的地质学现象以及隐藏在岩石中的各种线索，用来了解这数亿年间的地球奥秘。

据已有资料记载，下苇甸村周边多是距今8亿年以前的元古代岩石。今天，我们先从下苇甸村东1000米的一处陡崖讲起。

野外考察中的地质学家

地球上每个人都有一个名字，这样我们才能分清彼此。类似的道理，地球上的岩石也要有名字。

图3中陡崖底边画了一条白色虚线，虚线左下方的岩石形成于8亿年以前的海洋环境，最接近白线的岩层形成时代与天津蓟县景儿峪村附近的岩石相同，1934年被地质学家命名为景儿峪组，8亿年在地球历史上属于新元古代，所以照片上标注为新元古代景儿峪组。最接近白色虚线右侧的岩石以北京地区的昌平最为典型，因此称为昌平组，此处昌平组的岩石从成分上属于白云岩，所以在照片注释中称其为昌平组白云岩。

图3中的地质学家为什么这么兴奋？原来这里是两个不同时代的地层相遇点，界线两侧的岩石年龄相差2亿多年！我们平时只有在科幻片或荒诞剧中才能看到的时空穿越，现实中很难实现，但当你到了这样的地方，只要踏上一只脚，就可一步跨越亿万年。是不是非常神奇？

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地质学家将上下岩层彼此平行，中间又缺失了很长时间沉积纪录的接触面称为“平行不整合”。寒武纪昌平组与新元古代景儿峪组之间的这个不整合在华北地区普遍存在，是最重要的不整合之一。

雪球事件带来的沧桑巨变

在距今8亿年左右的时候，地球表面的温度突然降低，从两极到赤道，几乎所有海洋、湖泊的水体凝结成冰，地球变成了冰雪皑皑的雪球（Snowball Earth），只有少量的液态水残留在大洋深处。大面积白色冰雪把更多的阳光反射回太空，使地球表面温度越来越低，只有零星喷发的火山和太阳的照射才阻止了地球表面温度的无限下降。这种状况从距今8亿年左右一直持续到距今5.5亿年。后来，地球上的冰雪因为大量的火山活动重新融化，表面温度才迅速回升。地质学家把这段持续了2亿多年的特殊过程称为雪球事件。在多个类似的雪球事件中，距今8亿年至5.5亿年之间的这次地球事件从规模和生命演化历史上都是影响最大的。华北大部分地区因为雪球事件而抬升成陆地，也因此缺失这个时期的沉积物。

北京西山馒头组的紫红色页岩（这些一片片堆叠在一起的紫红色石头像不像一页页书？页岩就是这样得名的！）

雪球事件后，压抑了2亿多年的生命开始在地球上爆发。在距今5.4亿年左右，原始海洋中突然涌现出大量的生物，特别是出现了门类众多的无脊椎动物，它们像爆炸波一样迅速占领了地球上所有的海洋环境。在此后沉积形成的地层中，才留有多种生物化石纪录。这次生命大爆发的原因至今还是未解之迷，但它把地球的演化史分成了两个截然不同的时代，在这次生命大爆发前的地层中很少或没有生物化石，因此称为隐生宙，而大爆发之后的地层中生物遗迹相对明显，称为显生宙。

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地球已有46亿岁，要想仔细描述和研究不同时间发生的事情，显然需要把地球的历史细化。所以，地质学家又把5.4亿年历史的显生宙分成3个“代”，每个代又进一步细分成多个“纪”。生命大爆发后的海洋生物繁盛，距今5.4亿至4.85亿年之间沉积形成的岩石在英国的威尔士（Wales）最典型，生物化石最丰富，因此地质史上显生宙以来第一个“纪”的名字就以Wales来命名，称为寒武纪（Cambrian Period）。同学们会不会奇怪，威尔士的英文是Wales，而寒武纪的名字是Cambrian，这与命名地的名字差得太多了吧？原来，Wales的拉丁文名字是Cambria，在正式的英文地质文献中，地名是用拉丁文来命名的。

透过地质现象来推演地球时代

我们再把话题拉回到北京西山。雪球事件之前，华北大部分地区是海洋环境，并且已经沉积了几千米的地层。雪球事件使海水退却，地球历史仿佛也被冻结了，两亿多年的时间内，在华北留下的岩石纪录很少。雪球地球融化之后，海洋重新复活，当时的华北又重新被海水淹没，但是这个过程不是瞬间完成的，在最初的大约几百万年时间内，在北京地区沉积了50多米厚的石灰岩或白云岩。这套地层在昌平北最典型，并且地质学家张文佑还在其中发现了三叶虫化石，因此地质学家就把与昌平龙山同一时期形成的岩石统称为昌平组。

昌平组石灰岩沉积后不久，海洋环境发生了比较急剧的变化，海洋中沉积的岩石变成了非常细腻的紫红色泥质岩，中间夹着几层淡黄绿色的白云岩。根据现代的研究结果，这套以紫红色泥岩为主的岩石是在炎热干燥的潮间带环境下形成的，在北京西山的厚度约为130米。华北许多地方都可以见到，但是不同地区的岩石形成时间和沉积特征并不完全相同。最早对这套红色岩石进行系统研究的地点位于山东省张夏镇的馒头山，所以得名馒头组。在北京西山，这套以紫红色泥质岩为主的地层仍然以馒头组命名，但根据三叶虫化石等资料，北京地区的馒头组形成时间晚于山东的馒头组。

张夏组的鲕粒灰岩和泥晶灰岩注意：下半部分比较细致的是泥晶灰岩，年龄相对较老;上半部分的鲕粒灰岩沉积在后，年龄较新。请仔细观察上下岩石之间的接触线（红色箭头），是不是呈凹凸状接触，因与两块面料之间的缝合线相似，而称为“缝合线构造

馒头组沉积之后，海洋的环境又发生了变化，此时的北京西山主要在几米至几十米深且变动频繁的海水下面，沉积了一套220米厚，以石灰岩为主的地层，期间夹少量薄层的泥质岩和粉砂岩。石灰岩中除了三叶虫化石外，特别常见的是一些直径不到1毫米的粒状物质，密密麻麻堆积在一起，特别像鱼卵，称为鲕粒。相应地这些主要由鲕粒构成的石灰岩被称为鲕粒灰岩。寒武纪时期这套以鲕粒灰岩为主的地层在山东张夏最先被研究和命名，因此，北京西山的这套地层也称为张夏组。

中厚层石灰岩与薄层粉砂岩重复性沉积构成的沉积韵律

图6 中，野外常常见到数十厘米厚的石灰岩与泥质岩间隔出现，有时规律性特别明显，而其成因正是海洋环境呈周期性变化所形成的韵律，周期性的環境变化使海平面产生规律性升降，海洋沉积物也随之发生规律性交替变化。这种周期性的变化规律有时称为沉积旋回，也被形象地称为地球的脉动。

地球的脉动是有不同级别的，短的周期以天为单位，长的周期以百万年甚至千万年为单位。因此，在野外会见到不同规模的脉动产物。像图6所指示的时间周期大概为数万年至数十万年的脉动，而图7所代表的则是一种相对较短的脉动产物，图中，相对较厚的灰白色岩石是石灰岩，主要化学成分是碳酸钙，较薄的黄色夹层则含有较多的泥质，主要化学成分以二氧化硅为主。二者之间交替生长，脉动性非常明显。但是到目前为止，科学家还不能精确判定这个周期的具体时间，这个谜要等同学们以后来破解。

张夏组地层中的生物丘（这些丘的体积比较大，高度常在 1～2 米之间，保存完好的丘只占少数）

张夏组中的生物丘（这些丘的形态不规则，但都主要是由低等生物构成的）

除了鲕粒灰岩以外，张夏组中还有一种比较集中出现的现象——生物聚集形成的丘状体，简称生物丘（图8）。生物丘实际上就是小型的生物礁。不同的地质学家有各自不同的习惯叫法。

图8的生物丘位于109国道通往北京方向，也就是永定河的右岸。

生物丘可并不总是长得像图8这样规则，经常见到的丘是不规则状的（图9）。

张夏组地层沉积之后，华北板块进入寒武纪的晚期，这个时期的海底沉积了大量泥质物质，它们混在碳酸盐矿物中，形成条带状的构造，这些含有泥质条带且没有完全固结的石灰岩经常受到风暴的扰动，形成许多扁平状的特殊排列的泥质砾石。在特大风暴作用下，这些泥砾会被扬起，甚至大片的未完全固结的泥砾层被撕裂，然后又迅速与泥质沉积物混在一起沉降在海底，这样的沉积物固结成岩后，保留了风暴活动的特征，地质学家将这些受风暴作用影响的岩石称为风暴岩，风暴岩是寒武纪晚期特别典型的现象（图10，图11）。