地层学是怎么回事儿？

Original 徐洪河科学大院 2023-04-05

点击上方“科学大院” 可以订阅哦！

作者：徐洪河（中国科学院南京地质古生物研究所）

代表了地球史卷的地层（作者供图）

地层由地壳中层层叠叠的岩石所构成，是记载地球演变发展的书卷。地层中的岩石、化石和各种沉积构造是这部史卷中的密码，地质学家的任务就是解读这些密码。

关于地层的基本认识

早在地质学建立之初，地质学家们就对地层产生了两点至关重要的认识，其一，不同性质的地层代表了不同的地质时代；其二，不同地区的地层可以进行对比。

这两点认识是地层学的基础，它们也很容易理解。

从不同的地层中可以找到不同的、代表不同地质时代的生物化石。比如，三叶虫化石产自古生代的地层中，而恐龙的化石则产在中生代的地层中，绝不可能在同一套地层中同时找到这两种化石。

但是，我们可以从不同的地区找到相同的化石，比如，我们可以在南京和昆明这两个相隔两千多公里的地方找到相同的三叶虫化石，由此我们就可以判断这两套地层代表的是相同的地质年代。

指示寒武系地层的三叶虫化石：莱德利基虫（Redlichia）

化石生物所生活的时间往往是距今千万甚至上亿年，比如，三叶虫生活在距今5.5-2.5亿年，而恐龙大约在距今6500万前遭到灭绝。那么化石和地层的年龄是如何确定的呢？

地层的年龄值是利用放射性元素而测定的。一些具有放射性的化学元素具有非常稳定的半衰期，通过精确测量衰变元素与放射性元素的比值，再利用已知的半衰期，就可以测算出岩石的年龄。有了岩石地层的年龄，从这些地层中挖掘出的古生物年龄也就确定了。

然而，放射性同位素测年方法往往需要火山灰或火山岩样品，并不是所有的地层中都能找到含有火山岩的样品，因此，有些地质年代的确定不得不利用数学上的差值法来计算。而对于地层古生物学领域的科学家来说，更为常用的是地层的相对年龄，即，根据地层的性质和其中所含有的化石情况，开展区域性的地层研究，识别不同区域中地层的相关性。这就是地层学研究中最常见的地层对比。

地层对比，年代地层和地层年代

在地层学研究领域，有一个最常用的表格：国际年代地层表（International Chronostratigraphic Chart）。

国际年代地层表（英文版，2017年2月版）

国际地层委员会（International Commission on Stratigraphy）定期更新这个表格，把地层学研究的最新进展融入到这个表格中。国际地层委员会是一个非常传统的选举性科学机构，主要职能就是为全球年代地层和地质年代确立全球性标准，比如地质年代的名称，年龄值，地层识别特征、可供对比的化石，以及“金钉子”等等。

有了这些全球统一的标准，世界各国的地质学家们就有了通用的语言，可以协同合作，共同解读地球的历史。

这里提到的“金钉子”，其实是全球年代地层单位界线层型剖面和点位（GSSP）的俗称，是为开展全球地层对比而在某一地区所选取的典型案例，是在地层学和古生物学等领域所确立的，用于开展全球对比的地层标尺。一旦在某地方钉下“金钉子”，该地就变成一个地质年代的“国际标准”，成为了地层年代统一的“度量衡”，是全球地质学家开展地层学工作的参照。

“金钉子”一词的由来，要追溯到1869年的美国，当时第一条贯穿北美的铁路合拢时，最后一颗道钉用18k金制成，用以宣告竣工和贯穿铁路的重大意义。在地质学家看来，GSSP 对于地层划分与这颗“金钉子”的历史意义和象征意义异曲同工。因此，“金钉子”的概念便在地质学领域得到了广泛使用。

目前，全球地质学家共钉下了68颗“金钉子”，在中国确立了10颗，居世界第一（2017年意大利“金钉子”也达到10颗）。

值得一提的是国际地层委员会的logo，中文宋体的“山”字上加上了4条横线，在开展区域性地层对比时，我们经常能看到这种图，把不同区域的地层用柱状图绘制，再把这些地层之间彼此相关的地方用横线连接起来。这个logo非常完美地概况了地层学中地层对比的方法，似乎也暗示出地层学和“山”之间的密切关系。这种地层对比图在学术期刊《地层学杂志》的封面上经常可以看到。

国际地层委员会的logo是中文宋体的“山”字上面加上四条横线，《地层学杂志》封面经常表示地层对比的示意图，二者神似。

地层表中每个小格子都有不同的颜色，这些颜色可不是随意确定的，它们也有国际标准呢！

世界地质图委员会为所有的地层单位都确定了两套色谱，分别为用于电脑显示的RGB模式和用于印刷的CMYK模式，这些色谱的数值在地质年代表的网站和资料中都可以查到，有了这些数值，全球地质学家眼中的地层颜色也有了统一的标准。

另外，我们也注意到，这些地质学名词似乎和我们印象中并不一样，我们知道寒武纪，王菲也唱过《寒武纪》，可是为什么表格中写的是寒武系？

这其实就是年代地层和地层年代的差别，因为地质时代的是根据地层而确立的，相对而言，地层是实在的，而地质时代是抽象的。在中文语境下，地层和地质年代分别用不同的词尾来代表，用来表示地层的单位分别是：宇、界、系、统、阶，这些也是我们在地层表格中所看到的，它们所对应的地质年代单位分别是：宙、代、纪、世、期。

国际年代地层表的局部放大。宇、界、系、统、阶是地层单位，它们所对应的地质年代单位分别是宙、代、纪、世、期。右侧的数值是利用放射性元素和插值法所得到地层绝对年龄，单位是百万年，黄色的钉子图标表示该地层界线的国际标准“金钉子”已经确立。

比如说，上泥盆统所代表的是泥盆系之内的一套地层，其又可具体分为弗拉阶和法门阶两套地层，而上泥盆统地层所对应的地质时代被称为晚泥盆世，其地质时代具体为距今3.82~3.58亿年。我们看不到泥盆纪，但是能看到代表了泥盆纪这段地质时期的地层，即，泥盆系。

石油，天然气和故事

为什么要研究地层学？

其实，地层学研究对于石油和天然气资源的开发至关重要。

石油和天然气蕴藏在地层中，为了寻找和开采这些资源，就要在地表或海洋中进行钻井。对钻井所获得的岩芯首先要开展地层对比研究，地层是在三维空间展布的，识别岩芯中的地层学信息才能了解地表或海洋以下地层的延展规律，分析油气矿藏的具体位置和运移模式，为石油和天然气资源的开发利用服务。

地层是记录地球历史的史卷，在地球漫长的生命历史中，无数生命形式起源，分化，灭绝，复苏。无数远古生命变成了化石，凝结在地层之中。层层叠叠的岩石是不可以逆转的地质时代之箭，就在我们劈开岩石的那一刻，远古生命穿越了漫长的地质时代，安静地与我们相遇。

化石不会说话，但却给我们讲述了生命历史中的无数精彩故事。

生命演变历史，不同地层中产有不同的化石，这些化石为我们讲述了生命演化历程中的各种故事。（图：徐洪河）

（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）

大院热门文章top榜

点击文章标题，可直接阅读哦~