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《科学24小时》

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到长兴看“金钉子”

2017-05-31 14:57:00

在浙江、江苏和安徽三省交界处,太湖的西南岸,有一个面积仅有1430平方千米的长兴县,在国际地质学界,它可是大名鼎鼎的。如果你对地质科学感兴趣的话,一定要去那里长长见识。

金钉子

地球在诞生至今的46亿年间,究竟经历了多少个地质时代? 为了便于研究,地质学家将其划分成了若干单位,分别用宙、代、纪、世等进行表示,宙下分代,代下分纪,纪下分世,世下分期,期下分时。 比如,显生宙分为古生代、中生代和新生代,而中生代又分为三叠纪、侏罗纪和白垩纪。

对不同时代之间的分界,不同的国家研究出来的结果往往不同,缺乏统一的标准。 那如何才能将全球不同时代的地层划分统一起来? 这需要找到世界各国地质学家公认的标准剖面才行。

大约在19世纪,美国人民为了纪念东西部铁路大动脉接轨,在竣工时钉下了一枚用黄金制成的铁路道钉,俗称“金钉子”。 地质学家借用这个故事,认为地质时代的划分意义重大,也应当有这样的“金钉子”,全称为“全球年代地层单位界线层型剖面和点位”,简称“GSSP”。 目前,全球地层年表中一共有1 10枚左右的“金钉子”,截至2015年已经确立的有66 枚,其中我国有10枚。 更让人感到自豪的是,长兴就拥有2枚,分别是20013月由中国地质大学殷鸿福院士团队确定的二叠-三叠系界线“金钉子”, 以及20059 由中科院南京古生物研究所金玉玕团队确定的吴家坪阶-长兴阶“金钉子”。长兴也因此成为全球唯一一个在同一剖面上同时拥有2枚金钉子的地质遗迹保护区。

牙形石

地质学家确定地质年代最重要的一个依据是生物群层序律,即有机物的化石(包括动物群和植物群)在地层中,彼此有一定的相互联系的可以辨别的演化顺序。 简单来说,生物的演化趋势都是从简单到复杂,从低级到高级的,所以留在地层中的化石也会呈现出一系列的演化顺序。 但是,地球那么大,生物种类那么多,世界各地的生物化石多种多样,如何才能统一起来呢?

这需要找到一种“标准化石”,也就是说要寻找一种分布广、数量大、演化快,在某一地层单位中特有的生物化石,并且该层以上和以下的地层中基本没有这种化石,才能依靠它确定地层的地质时代。 比如最有代表性的远古动物三叶虫,早在距今5. 6 亿年前的寒武纪就已出现,5亿至4. 3亿年前发展到高峰,至2. 4亿年前的二叠纪时完全灭绝,前后在地球上共生存了3. 2亿多年,它们就是典型的标准化石。

对于划分二叠纪和三叠纪的标准化石,国际上长期以来采用的都是耳菊石。 但是,我国科学家在中国大陆上大多数地方都没有找到这种化物化石,并且该层以上和以下的地层中基本没有这种化石,才能依靠它确定地层的地质时代。 比如最有代表性的远古动物三叶虫,早在距今5. 6 亿年前的寒武纪就已出现,5亿至4. 3亿年前发展到高峰,至2. 4亿年前的二叠纪时完全灭绝,前后在地球上共生存了3. 2亿多年,它们就是典型的标准化石。

对于划分二叠纪和三叠纪的标准化石,国际上长期以来采用的都是耳菊石。 但是,我国科学家在中国大陆上大多数地方都没有找到这种化石。 不过,困难并没有吓倒中国人,反而更加激发了中国科学家积极进取的斗志。 他们大胆放弃了耳菊石,转而把目光投向了另外一种微小的生物化石——牙形石。 这是一种海洋生物化石,它们死后肉体部分腐烂,剩下头部的骨骼则变成了化石。由于外形很像某些鱼类的牙齿,故而得名“牙形石”,也被称为“牙形刺”。它的个体很小,通常仅为 0. 32. 0 毫米。 这种类型的化石数量多,在全球广泛分布。 地质学家张克信教授在长兴煤山 D剖面第2716厘米厚的灰岩中找到了牙形石的连续演化序列。 经过我国地质学家的不懈努力,最终获得国际地质科学联合会的确认,以长兴煤山的“牙形石化石”为划分古生界和中生界的标准化石。从此之后,这枚划分古生界和中生界(同时也划分二叠-三叠系)的“金钉子”,就牢牢地“钉”在了长兴。

大灭绝

对于地球史上曾经发生过的5 次大规模生物灭绝事件,想必大家并不陌生。 它们都发生在人类出现之前,分别是距今4. 4亿年前的奥陶纪末期、3. 75亿年前的泥盆纪末期、2. 5亿年前的二叠纪-三叠纪过渡时期、2. 08亿年前的三叠纪-侏罗纪过渡时期和6500万年前的白垩纪末期。而其中规模最大的一次, 是在距今2. 5亿年前的二叠纪-三叠纪过渡时期,全球生物总共约57%的科、83%的属、96%的海洋生物的种与约70%的陆地生物的种都灭绝了。

在长兴梅山D剖面第25层下面的灰岩里,地质学家发现了大量二叠纪末期的海洋生物化石。但是,它们大多数都没能穿过第2526层这两个仅有十几厘米厚的粘土层。而在这两层粘土层之上的岩石中,生物化石变得极少了。 通过研究这些资料,地质学家将其与二叠纪-三叠纪过渡时期的生物大灭绝事件联系了起来。

令人疑惑的是,这究竟是什么原因造成的呢? 有学者认为,这与恐龙的灭绝一样,是陨石撞击地球的后果。 而以殷鸿福院士为首的科研团队通过长期的分析检验,并没有在这层薄薄的粘土层中发现陨石撞击地球应该留下的铱元素,而是发现了不少火山灰物质和高温石英。 随着研究的不断深入,他们否定了陨石撞击地球的观点,进而提出了二叠纪末的生物大灭绝与当时大面积的火山爆发有关。

中科院南京地质古生物所的研究员沈树忠和美国麻省理工学院的科学家,通过矿物测年方法确定了这次事件发生的具体时间。 他们发现煤山剖面标志生物大灭绝开始的25层火山灰出现于2. 51941亿年前,并于2. 51880亿年前终结。这意味着这次生物大灭绝就发生在这一大约6万年的时间段内,属于一次突发性的灭绝事件。 这对整个地球史而言仅是“眨眼之间”,如今这一切都被完整地保存在长兴煤山剖面中。

煤山剖面不仅成为地质学家关注的焦点,也逐渐成为重要的科普教育基地。国务院已经批槐坎乡和煤山镇两个行政区的交接地段(面积约3 平方千米)为地质遗迹国家级自然保护区,主要的保护对象就是“金钉子”。 这里还建造了金钉子地质博物馆,通过宇宙地球厅、生物进化厅、金钉子厅、古木化石展区以及4D影院,分别向前来参观的游客展示地球的地质发展史以及生物进化史。

  

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