探寻地层里的“时间”秘密

徐继山

我们很早就知道，地球是具有圈层结构的。如果把地层比作蛋糕，那么我们可以更为清晰地理解它（们）的结构。

a.蛋糕是一层一层摞起来的;

b.每一层的味道也许不同;

c.每一层含有不同的水果，比如葡萄、樱桃、草莓。

这样的蛋糕，除了可以食用之外，还透露出许多有趣的信息。比如，蛋糕的底层会先被放置上去，依次再摞上一层层的蛋糕或奶油;通过品尝蛋糕的酸甜，可以推知糕点师是不是加了过多的水果或果酱。另外，通过观察蛋糕里的水果的新鲜程度，可以大概推知它们放置了多久。

其实，地层也是这样分层的：酸甜可以代表环境的冷暖，葡萄等水果可以代表地层里的化石。所不同的是，地层的“糕点师”是自然的作用。

蛋糕与甘南和政地层（含铲齿动物群）

有人说，地层不就是石头和土嘛，为什么分成一层一层的？实际上，地层具有很强的“年代—事件”属性，创造“地层”这个概念，就是为了得知时间、通晓地质事件。地层，为我们揭示了一个“有序”的世界。在漫长的地质年代中，“第四纪”是最新的“纪年”，从距今260万年前开始至今。要想知道第四纪的“秘密”，我们就要切开地层这块大“蛋糕”，按照时间序列去“品味”它们的沧桑历程。

  “埋藏”的时间

生物，就像蛋糕里的水果。利用生物发展的不可逆性及生物的组合性，可以判别地层的新老关系。

古生物的范畴很广，包括动物、植物和微生物。这种方法所要研究的不仅是它们的遗体化石，也包括遗迹，即它们的活动留下的痕迹。这种方法也很容易理解，地层是在一定地质环境下形成的产物，生物群体（群落）要在这样的空间场所繁衍生息，最后被地层埋藏起来。把它们发掘出来加以研究，就能让时间“倒流”，从而推知当时的情况。

在第四纪地层年代划分中，经常用到的生物当属有孔虫了。在海洋古生物中，有孔虫个头很小，只有几毫米到几厘米，大部分只能在显微镜下观察。它们在地域上分布非常广泛，存在的时间跨度也非常大，自寒武纪以来，一直到现在，都有它们的踪影。

有孔虫之所以得名，是因为它们都有一个孔口。这是因为有孔虫是一种单细胞生物，要靠一个开口与外界进行物质和能量的交换。它们结构简单，形态各异，有水瓶状、放射状、卷状等，不一而足。古生物学家郑守仪院士别出心裁地建了一个有孔虫雕塑公园，把有孔虫放大成百上千倍，制成模型陈列起来。置身其中，你可以清楚地看到：它们有的像大炮，有的像斗笠，有的像手雷，有的像叶子……可谓千奇百怪，琳琅满目。

在20世纪中期，学术界还在为第四纪的“界线”发愁：第四纪沉积的第一层地层究竟划分在哪里合适？谁说了算数呢？只有让自然本身“说话”，才令人信服。1948年，在第18届国际地质大会上，地质学家就建议把海相地层划归在意大利南部的一组地层中，因为在这一海相地层中含有一种喜冷有孔虫，而第四纪的开始正是以全球普遍变冷为标志的。再对这些有孔虫进行同位素测年，可以探知地层的年龄为180万年，从而划定了第四纪地层和时间的界限。所以说，小虫能确定大问题！

“飘散”的时间

气候的影响是多方面的，如冷暖、干湿、海平面升降、冰川迁移、冰期变化、植物迁移，以及其他沉积环境的改变，等等。第四纪全球性或大区域的气候变化既有一定的先后顺序，也有一定的发展趋势。按照气候变化的“规律”，结合我们对地层数据（如深度、位置、范围、结构、成分等）的分析，就能得到时间（地层年代）与气候之间的关系。

通常，我们可以根据植物化石、沉积物和化学元素的变化来探知气候信息。例如，对于植物化石来说，草本植物对应着冷干，木本植物对应着暖湿;在沉积物中，黄土对应着冷干，红土对应着暖湿;在化学元素中，碳酸钙含量高对应着冷干，碳酸钙含量低对应着暖湿，等等。这里，我们以“孢粉”为例来说明。“孢粉”是孢子和花粉的简称。孢粉的个头非常小，通常在10～200微米左右，它还有一个像热气球一样的气囊，可以飘散到很远的地方，甚至到千里之外。

我們想知道的是，这些孢粉中有多少是草本植物的，有多少是木本植物的。如果我们能够得知地层中孢粉的类型和含量，通过比对，就可以知道气候变化的情况。比如，在苏北盆地的一处钻孔中得到木本孢粉含量的变化曲线（如下图所示），C1所对应的地层木本含量微弱，其沉积时间恰好与欧洲的“新仙女木事件”相对应。

“新仙女木事件”是末次冰期的最后一次寒冷事件。其实，“仙女木”和“仙女”没有什么关系，它只是一种极地植物。在距今1万年前，全球突然进入了一个冷期。寒流来得非常突然，虽然只有短短的1300年，但造成了猛犸象、剑齿虎等史前巨兽的灭绝。由于在欧洲的一些地层中发现了北极的仙女木这种植物，因此将此命名为“新仙女木事件”（之所以称之为“新”，是因为在这之前还有两次同样的事件）。北极的植物迁徙到了欧洲地区，说明气候是变冷了，北极的势力范围扩展了。

再回到对苏北盆地的研究，C1所对应的地层木本含量微弱，说明苏北地区也在当时（约1.28万年前）经历了一次剧烈降温的事件。在那时，同纬度山地地区可能也有冰川的存在。

“变色”的时间

时间的变迁，以及随着时间变化的气候状况，也会反映在岩土的内外特征上，比如颜色、成分、结构、构造、组成、形态等。研究这些特征，属于岩石地层学的方法。在野外工作中所遇到的情况，不外乎以下3种：一是颜色，反映沉积物的成分、沉积环境和气候;二是成分与结构，反映沉积环境稳定程度;三是特殊标志层反映突变沉积事件。

在我国北方地区广泛分布着黄土。这些黄土的颜色，其实并不是一片黄，而是亮黄色和暗红色交替出现的。亮黄色的是黄土，暗红色的是古土壤。黄土与古土壤的颜色差异，主要与碳酸盐、有机质和铁氧化物的含量变化有关。黄土堆积期气候相对冷干，碳酸盐含量高，有机质和铁氧化物含量低，土壤亮度偏高而红度偏低;古土壤发育期则气候相对暖湿，碳酸盐含量低而有机质和铁氧化物含量较高，土壤亮度偏低而红度偏高。

那么，如何确定颜色呢？单凭一双肉眼，显然是不客观的。因为颜色涉及到亮度、对比度、色调等方面，且岩土体的水分含量不同也可能会造成对颜色的识别不准确。因此，需要一种更为科学的、定量的研究手段。巧的是，红度与磁铁矿的含量具有很强的相关性，通过测试黄土的磁化率，再结合黄土的颜色，进而就能准确推知气候变化的情况。

“流失”的时间

时间的变迁，还会体现在地貌体的特征变化上。利用地貌体相互切割、过渡、掩埋等空间上的相对关系，就可以对地层序列进行标定。这种方法对层状地貌，如夷平面、剥夷面、阶地及层状溶洞的研究非常有用。这是因为地貌的发展是一定地质过程下的产物，了解了地貌发展的过程，就能确定地层的先后顺序。

有孔虫壳的构造

有孔虫结构

为便于理解，我们举例加以说明。渭河发源于甘肃省渭源的鸟鼠山，沿着秦岭北麓向东流至陕西潼关汇入黄河，全长达818千米。野外调查发现，该段河流发育着7级阶地（如图所示），即从下向上数，有7个“台阶”，分别为第1级阶地（T1）、第2级阶地（T2）……一直到第7级阶地（T7）。问题就来了，这些阶地，哪个阶地老，哪个阶地新呢？那就要搞清楚这些河流阶地是怎么形成的。按照地貌演化序列，河流对盆地的下切深度是逐渐加深的，在侵蚀河流的同时，也在沉积着地层。于是，这些河流阶地便最终形成了这样的构造：T7阶地的年龄最古老，从T6、T5依次到T1，它们的地层年代依次变新。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虫的雕塑（从左至右依次为：龙骨节眼虫、拜拉门帕内莱纳虫、异面不等虫、六角卵虫）

研究表明，该地区地处青藏高原与黄土高原交汇地带，容易受到板块抬升作用，加之气候变化的影响，流水一刻不停，层层侵蚀大地。测年数据表明，T7对应的时代大概为距今8～9万年左右（晚中更新世），T1对应的时间为距今1万年左右（全新世），所以该河流阶地的剖面大概记录了晚中更新世到全新世以来的“地质—气候”变迁过程。

“弯曲”的时间

地层是一层层沉积而成的，原生地层是比较平整的。但是，在漫长的地质历史中，这些地层还可能会受到各种内动力地质作用的影响，使它们弯曲、破裂，甚至发生天翻地覆的变化。就像侦查断案一样，细致考察地层中留下的各种“蛛丝马迹”，推知它们的形成原因，就能还原整個过程，进而进行地层划分和对比。

意大利南部的卡拉布里地层剖面（编号e 之上的粘土岩层为第四纪底界）（据B.Pillans，2013）

比如，一种常见的地质构造——褶曲，它是一种地层弯曲的现象。如图所示，向上耸起的叫背斜，向下拗沉的叫向斜，它们都有自己的“核”（中心）和“两翼”。在野外工作中，如果知道某地区是一个褶曲构造，就能很好地判断这一片地层的新老关系。这是因为地层的沉积主要是靠重力作用层层叠加起来的，就像“盖楼房”一样，先盖第一层，再盖第二层，依次沉积起来，因而下面的地层要老于（或先于）上面的地层。褶曲运动，改变了地层在地表上横向出露的顺序：对于背斜来说，从两翼到核部，地层是逐渐变老的;而对于向斜来说，从两翼到核部，地层是逐渐变新的。就这样，地层一会老，一会新，时间也随着地层的弯曲发生了“弯曲”。

苏北盆地钻孔孢粉含量变化情况（据萧家仪等，2005）

黄土-古土壤序列

渭河上游阶地剖面（据潘保田等，2007） 地层的褶曲确定相对年代。

地层在年代上的顺序，藏着地球变化的许多秘密。如果想要更为精确测定地层的时间，那就要用到测年方法。比如，对远古人生火形成的灰烬进行碳同位素测年，对珊瑚中的氧同位素进行测年，对火山岩中的钾同位素进行测年，等等，可以根据同位素衰变的速率，计算时间过去了多少。可以说，它们都是自然的“时钟”。有了时间，自然就可以凭借各种力量在大地上自由书写，从而造就精彩纷呈的大千世界！

致谢：感谢国家自然科学基金专项项目（42042054）、中国矿业大学教学研究项目（2020YB20、2018ZX06）、中国矿业大学研究生教育教学改革研究与实践项目（2019YJSJG011）、地质工程专业国家一流专业建设点资助项目、江苏高校优势学科建设工程项目支持。