尋覓記錄在疊層石中的天文學(xué)信息

曹瑞驥 袁訓(xùn)來(lái)

進(jìn)化歷程

尋覓記錄在疊層石中的天文學(xué)信息

曹瑞驥 袁訓(xùn)來(lái)

各基礎(chǔ)學(xué)科之間的相互滲透是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)之一。自從上個(gè)世紀(jì)中期“古生物鐘”研究興起以后，天文學(xué)與古生物學(xué)這兩大古老基礎(chǔ)學(xué)科之間的橫向聯(lián)系已初見(jiàn)端倪。其實(shí)在古生物體內(nèi)記錄的天文學(xué)信息不僅局限于“古生物鐘”，其中一些可能至今仍不為我們所識(shí)別。如何運(yùn)用天文學(xué)知識(shí)探索古生物學(xué)中的許多有關(guān)問(wèn)題，已成為擺在我們面前的一個(gè)新課題。

何謂“古生物鐘”

在浩瀚的宇宙中間，地球僅是數(shù)以億計(jì)的天體之一。從形成以后，地球就按一定的規(guī)律演化和不停地運(yùn)動(dòng)。在太陽(yáng)系中，地球的運(yùn)動(dòng)包括繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和繞其本身自轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)今，地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間約為365.3個(gè)太陽(yáng)日，自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間約為23小時(shí)56分鐘。月球是最靠近地球的一個(gè)星體，它既圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，又參與繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)。月球圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的周期，因選用基點(diǎn)的不同，現(xiàn)今分別為29.53，27.32，27.21，27.55個(gè)太陽(yáng)日。

當(dāng)前的研究已經(jīng)證明，地球的自轉(zhuǎn)速度和地月之間的距離在長(zhǎng)達(dá)幾十億年的地質(zhì)歷史中是不斷變化的。地球自轉(zhuǎn)速度的變化與一系列重大地質(zhì)事件的發(fā)生可能有著某種的聯(lián)系。很早以前，李四光就認(rèn)為地球上緯向褶皺帶的成因或許與地球旋轉(zhuǎn)速度的變化有關(guān)。天文學(xué)研究證實(shí)，地球自轉(zhuǎn)具有從快變慢的趨勢(shì)。但現(xiàn)今的天文學(xué)知識(shí)無(wú)法提供不同地質(zhì)時(shí)期地球轉(zhuǎn)速的遞減率。因此人們將希望寄托在記錄天文信息的古生物結(jié)構(gòu)的研究上。

由于地球的自轉(zhuǎn)，地球上出現(xiàn)了晝夜的交替，并由此導(dǎo)致了陽(yáng)光、溫度和沉積物化學(xué)組分等方面的周期性微細(xì)變化。這些微細(xì)變化常直接影響到某些地球生物的生理功能和細(xì)胞的生長(zhǎng)速度，從而引起生物生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上的相應(yīng)變化。這些生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上的變化通常以層紋形式記錄在生物體內(nèi)或殼體中。人們將這些層紋稱之為“日層紋”。

當(dāng)?shù)厍蚶@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球接受太陽(yáng)輻射的不同（取決于地球相對(duì)于太陽(yáng)的幾何位置），地球上出現(xiàn)年、季節(jié)和潮汐的周期性變化。這些變化又引起日層紋在排列、組分和顏色等方面的相應(yīng)變化，并形成反映“年”和“季節(jié)”的生長(zhǎng)節(jié)律（或稱“旋回”）。這些生長(zhǎng)節(jié)律如同鐘表一樣周而復(fù)始出現(xiàn)在古生物結(jié)構(gòu)中。根據(jù)對(duì)化石中保留的層紋生長(zhǎng)節(jié)律的性質(zhì)和等級(jí)的分析和研究，人們很容易地統(tǒng)計(jì)出每個(gè)年或季節(jié)的節(jié)律中的日層紋數(shù)，并據(jù)此揭示不同地質(zhì)時(shí)

期地球自轉(zhuǎn)速度的變化。上個(gè)世紀(jì)六十年代，Runco rn把古生物反映出時(shí)間尺度變化的功能稱為“古生物鐘”。

由于生物的習(xí)性，生長(zhǎng)速率和骨骼性質(zhì)各異，并非所有生物的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)都記錄有明顯的天文學(xué)信息。能夠開(kāi)展古生物鐘研究的化石現(xiàn)知有珊瑚、瓣腮類、頭足類、腕足類、層孔蟲(chóng)、苔蘚蟲(chóng)、鈣質(zhì)蠕蟲(chóng)管、海膽板、節(jié)肢動(dòng)物和疊層石。除疊層石外，其他均為動(dòng)物化石。利用動(dòng)物化石開(kāi)展“古生物鐘”的研究，人們僅能獲取顯生宙以來(lái)（即從5.4億年至今）的資料。地球形成歷史接近46億年，從古生物學(xué)上探索地球早期的天文學(xué)和地球物理等方面的信息只能依賴于疊層石。

當(dāng)前“古生物鐘”研究中最大的障礙在于很難尋覓到記錄完整的天文學(xué)信息的古生物材料。一些相對(duì)完整的天文記錄又常受后期歲月的破壞而湮沒(méi)。這些先天性的不足常是當(dāng)前研究中的無(wú)奈和尷尬。“古生物鐘”研究至今仍停留在嘗試和試驗(yàn)階段。

現(xiàn)代海相潮間帶“活”疊層石。拍攝子澳大利亞西部鯊魚(yú)灣。

疊層石“古生物鐘”研究的科學(xué)依據(jù)

由于生理作用，某些動(dòng)物可以將地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的周期性的環(huán)境變化以層紋形式記錄在硬質(zhì)殼體之上。但疊層石是藍(lán)細(xì)菌類構(gòu)成的一種生物沉積構(gòu)造，在本質(zhì)上區(qū)別于具硬質(zhì)殼體的動(dòng)物。將疊層石作為“古生物鐘”研究的科學(xué)依據(jù)何在？需要首先闡明。人們通過(guò)對(duì)現(xiàn)代“活”疊層石的試驗(yàn)并與化石疊層石比較研究后發(fā)現(xiàn)，由于日照的刺激作用和藍(lán)細(xì)菌類微生物的趨光作用，疊層石可以與硬質(zhì)殼體動(dòng)物一樣，將晝、夜為單位的時(shí)間段（天）以層紋形式記錄在結(jié)構(gòu)中。其日層紋形成機(jī)理可以分為以下兩類。

A.當(dāng)白天來(lái)臨，陽(yáng)光普照，一些組成疊層石

的絲狀藍(lán)細(xì)菌對(duì)日照特別敏感，紛紛向光源方向直立散開(kāi)生長(zhǎng)。而當(dāng)太陽(yáng)落山，黑夜籠罩大地時(shí)，這些絲狀藍(lán)細(xì)菌將由直立轉(zhuǎn)向密集匍匐分布。如此日復(fù)一日，一系列日層紋被形成。這類日層紋是由于晝、夜光線變化導(dǎo)致絲狀藍(lán)細(xì)菌排列方式發(fā)生相應(yīng)變化形成的，在現(xiàn)代“活”疊層石和燧石質(zhì)化石疊層石的薄片中經(jīng)常見(jiàn)到。它們的厚度通常介于80至150微米之間。在碳酸鹽巖化石疊層石薄片中，藍(lán)細(xì)菌類微生物極少保存，但在其中常觀察到一些較厚的淺色微層（有機(jī)質(zhì)相對(duì)貧乏）與較薄的深色微層（有機(jī)質(zhì)相對(duì)豐富）交替分布。每個(gè)“微層對(duì)”的厚度與上述日層紋接近。有學(xué)者認(rèn)為，這些“微層對(duì)”的成因似乎可以用上述日層紋成因機(jī)理加以解釋，它們可能代表晝、夜沉積記錄。

B.一些藍(lán)細(xì)菌類微生物在白天日照刺激下可以堆積一層薄薄的微生物膜，當(dāng)缺少陽(yáng)光的夜晚來(lái)臨，微生物膜暫停堆積。第二個(gè)白天，另一層微生物膜又被形成。因而在兩層有機(jī)質(zhì)豐富的暗色微生物膜之間，常出現(xiàn)一層極薄的無(wú)機(jī)質(zhì)亮間隙層，它將兩層微生物膜隔開(kāi)。如此周而復(fù)始，另一類日層紋系列被形成。在燧石質(zhì)疊層石化石薄片中，常觀察到這類日層紋，一些微生物膜中還可以見(jiàn)到類似Rivu la ria藍(lán)細(xì)菌的結(jié)構(gòu)。這類日層紋厚度通常介于30至60微米。

柱疊層石縱斷面，顯示出其層紋組分的周期性變化?；a(chǎn)自天津薊縣中元古代薊縣系鐵嶺組。

在太陽(yáng)系內(nèi)，地球和月球在萬(wàn)有引力的作用下，組成了一個(gè)關(guān)系密切的二體力學(xué)體系。地球因受月球引力的作用，形成潮汐，液體潮汐的高差可達(dá)67厘米。對(duì)潮間帶和淺水潮下帶的疊層石而言，每天的潮汐作用可導(dǎo)致疊層石沉積組分的周期性變化，同樣可以在疊層石中形成日層紋。這種日層紋的產(chǎn)生似乎受控于化學(xué)沉淀或機(jī)械沉積作用。在以月為時(shí)間單元的跨度內(nèi)，由于受每月的大潮影響，疊層石日層紋系列在排列密度和色澤深淺方面常出現(xiàn)一定的變

化，有時(shí)可以形成反映月周期的生長(zhǎng)節(jié)律（旋回）。

在地球上，季節(jié)的交替是地球接受太陽(yáng)輻射變化引起的，受輻射能量的大小則取決于地球某地與太陽(yáng)之間的相對(duì)幾何位置。同時(shí)太陽(yáng)輻射能量又與地軸的傾斜角度（即黃赤交角）有密切關(guān)聯(lián)，黃赤交角值在季節(jié)形成和變化方面起相當(dāng)重要的作用。因而可以通俗地理解為，地球上季節(jié)的交替是受太陽(yáng)傾向直接影響的結(jié)果。建造疊層石的藍(lán)細(xì)菌類微生物，由于自身的趨光性能，在缺少垂直光線輻射的情況下，總是迎向太陽(yáng)輻射能量大的方向生長(zhǎng)。因而一些柱疊層石的生長(zhǎng)方向?qū)㈦S季節(jié)的變更而轉(zhuǎn)向。

一個(gè)形成在赤道附近的疊層石柱體可以產(chǎn)生正弦曲線構(gòu)造。

疊層石“古生物鐘”研究的實(shí)例

科學(xué)家運(yùn)用將今論古的方法，通過(guò)對(duì)現(xiàn)代“活”疊層石的研究，建立了上述疊層石“古生物鐘”研究的理論依據(jù)。仔細(xì)推敲和思索后不難發(fā)現(xiàn)，上述理論依據(jù)尚欠足夠的嚴(yán)謹(jǐn)性。盡管如此，近30年來(lái)不少科學(xué)家仍開(kāi)展了有關(guān)方面的探索，并獲得了一些前寒武紀(jì)地球自轉(zhuǎn)速度的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的可信度仍值得討論。現(xiàn)列舉兩個(gè)實(shí)例供讀者分析和思考。

實(shí)例1

Anabaria juvensis是一種產(chǎn)自澳大利亞中部新元古代苦泉組（距今8.5億年）的多分叉柱疊層石。從表面觀察，該疊層石具以下兩項(xiàng)特征。（1）疊層石柱體屢次呈自然平緩地彎曲，彎曲的形成似乎與水動(dòng)力等機(jī)械因素?zé)o關(guān)；（2）柱體多半燧石化，其中微層紋保存完整而清晰。上個(gè)世紀(jì)八十年代中期，美國(guó)天文學(xué)家Vanyo和前寒武紀(jì)古生物學(xué)家Aw ram ik通過(guò)連續(xù)切片方法對(duì)疊層石進(jìn)行了剖析，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這些疊層石柱體的軸線經(jīng)常彎曲成類似數(shù)學(xué)上的正弦曲線。同時(shí)，彎曲的弧線與垂直地層層面直線之間的夾角均在20°左右，與現(xiàn)代的黃赤交角頗為接近。因而推測(cè)這類疊層石形成在古赤道附近，而柱體的正弦曲線狀的自然彎曲是由于季節(jié)更替導(dǎo)致藍(lán)細(xì)菌類微生物追逐太陽(yáng)輻射能量大的方向轉(zhuǎn)向生長(zhǎng)所致。因此上述正弦曲線中的一段“S”形柱體應(yīng)代表1年的沉積。根據(jù)對(duì)“S”段柱體內(nèi)的微層紋（日層紋）統(tǒng)計(jì)，他們計(jì)算出在8.5億年前地球上每年約為410天。

以上推理和推算方法似乎并無(wú)明顯欠妥之處，其中最大的疑問(wèn)是，在漫長(zhǎng)的“年”時(shí)間段內(nèi)，日層紋似乎不可能無(wú)間斷地連續(xù)堆積。上述每年的天數(shù)可能較實(shí)際偏低。

實(shí)例2

Pseud og ym no so len c ond ylose是一種產(chǎn)出在天津薊縣中元古代霧迷山組底部（距今13億-14億年）的微小分叉疊層石。疊層石個(gè)

體小，柱體直徑小于0.5厘米，已燧石化，呈黑色。極為有趣的是，這類小疊層石與平坦的由Lyngb ya類藍(lán)細(xì)菌組成的微生物席交替分布，構(gòu)成疊層石——微生物席——疊層石的周期性韻律。Lyngbya類藍(lán)細(xì)菌通常生活在半干半濕的暴露環(huán)境，反之，連續(xù)堆積的疊層石形成在被水淹沒(méi)的環(huán)境。上述疊層石與微生物席交替分布實(shí)際反映濕和干兩種環(huán)境的周期性變化。薄片研究發(fā)現(xiàn)上述微小疊層石中顯示兩類微構(gòu)造：（1）由較薄的亮帶與較厚的暗帶相互交替形成的微層紋，其厚度不足50微米；（2）由一系列微層紋構(gòu)成的微層紋組，每個(gè)組的厚度約為0.5-1.5毫米。微層紋組的劃分主要依據(jù)色澤的差異。每個(gè)小疊層石的柱體通常包含2-9個(gè)微層紋組。綜合以上所述，在當(dāng)前標(biāo)本中可以明顯辨認(rèn)出三個(gè)不同等級(jí)的生長(zhǎng)周期：A.由亮帶和暗帶交替形成的微層紋（1級(jí)）；B.層層相疊的微層紋組（2級(jí)）；C.微生物席與小疊層石的交替分布（3級(jí)）。

因生物趨光性而形成的日層紋。白天藍(lán)細(xì)菌絲體朝向光源直立生長(zhǎng)夜間匍匐。標(biāo)本采自蘇北新元古代九頂山組燧石質(zhì)疊層石中。

疊層石概要縱斷面示意圖

當(dāng)前研究中的核心問(wèn)題是對(duì)上述三個(gè)生長(zhǎng)周期的成因作出合理的科學(xué)解釋。據(jù)對(duì)中美洲巴哈馬安德羅斯島西部沼澤區(qū)“活”疊層石的觀察和研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每年的干旱季節(jié)來(lái)臨時(shí)，疊層石暫停生長(zhǎng)并遭剝蝕，緊接著微生物席覆蓋其上。當(dāng)干旱季節(jié)結(jié)束雨季來(lái)臨，疊層石又在微生

物席之上生長(zhǎng)和發(fā)育，如此周而復(fù)始。這種一年一度干、濕交替環(huán)境下的生長(zhǎng)模式明顯可以與上述3級(jí)周期的生長(zhǎng)方式進(jìn)行比較。因而上述3級(jí)周期的生長(zhǎng)時(shí)間跨度可以用以下公式示意：疊層石堆積剝蝕+微生物席堆積=1年沉積記錄。上述1級(jí)微層紋厚度與現(xiàn)代“活”疊層石的日層紋接近，它們可能代表在每天日照刺激下形成的微生物膜和黑夜形成的間隙層。顯而易見(jiàn)，上述2級(jí)微層紋組應(yīng)為月周期的沉積。將縱向切制的疊層石柱體薄片置于顯微鏡下，順柱體軸延伸方向連續(xù)照相，并對(duì)微層紋組中包含的微層紋數(shù)在放大照片上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)每個(gè)紋層組中多半包含40-49個(gè)微紋層（即平均為44.5個(gè)微紋層）。以上數(shù)據(jù)反映在中元古代初期每個(gè)月約有44.5天。假定當(dāng)時(shí)每年仍為12個(gè)月的話，則在13億-14億年前每年應(yīng)為534天。

以上每個(gè)月包含天數(shù)的數(shù)據(jù)是建立在對(duì)數(shù)百個(gè)微層紋組統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上獲得的，較為可信。但在中元古代早期每年是否包含12個(gè)月，目前尚無(wú)有力的科學(xué)證據(jù)。

疊層石三個(gè)不同等級(jí)的生長(zhǎng)周期。A.微層紋，即日層紋，代表在日照刺激下形成的微生物膜；B.微層紋組，反映月的周期；C.微生物席與小疊層石交替分布，反映一年中大的季節(jié)變更。化石采自天津薊縣中元古代薊縣系霧迷山組底部。

從疊層石中的潮汐記錄探索地月距離的變化

澳大利亞西部鯊魚(yú)灣一帶為半封閉的高鹽度海灣，一般海洋生物幾乎絕跡。在這極端環(huán)境下藍(lán)細(xì)菌類微生物十分活躍，由它們建造的柱疊層石鱗次櫛比，散布在動(dòng)蕩的潮間帶。由于“活”疊層石在現(xiàn)代海洋中極為罕見(jiàn)，從上世紀(jì)六十年代始，許多地質(zhì)學(xué)家從不同角度對(duì)它們開(kāi)展了深入研究。一次偶然的觀察，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)這些疊層石在沿海岸線分布上似具某些規(guī)律性，在潮汐振幅大的地區(qū)生長(zhǎng)的疊層石概要縱斷面（synop tic p ro file）偏高，反之，在潮汐振幅小的地區(qū)偏低。潮間帶疊層石概要縱斷面的高度與潮汐的振幅有著緊密關(guān)聯(lián)。地球上液體潮汐的形成主要是地球受月球引力作用所

致，而潮汐作用的大小又與地月之間的距離密切相關(guān)。以上發(fā)現(xiàn)提示人們，如果對(duì)不同地質(zhì)時(shí)期的潮間帶柱疊層石的概要縱斷面進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)查和深入研究，將為人們提供地球早期地月距離的變化和潮汐引力對(duì)地球發(fā)展歷史影響等方面的資料。

何謂概要縱斷面？為了從動(dòng)態(tài)上理解建造疊層石的基本單元—層紋，并將它們恢復(fù)到形成時(shí)的“活”狀態(tài)，加拿大學(xué)者Ho fm a nn創(chuàng)建了“概要縱斷面”術(shù)語(yǔ)。該面代表建造疊層石的微生物席的起伏面。微生物席通常形成在沉積面之上的1-10毫米的水層中，因?yàn)檫@里是最適合微生物繁殖和新陳代謝活動(dòng)的地區(qū)。而微生物席一旦暴露水層，必將停止生長(zhǎng)，并遭受剝蝕。建造疊層石的微生物席通常呈穹形，這由于藍(lán)細(xì)菌趨光性及微生物活動(dòng)導(dǎo)致沉積物向上運(yùn)動(dòng)所致。疊層石的每個(gè)概要縱斷面反映某一時(shí)刻微生物席的活動(dòng)狀態(tài)，即昔日沉積物-水界面狀態(tài)和微生物席的相對(duì)水深。

百余年來(lái)，特別是登月計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，月球軌道變化，包括地月距離變化的研究已受到高度關(guān)注。天文學(xué)研究表明，月球軌道半徑每年要增加4.5cm，也就是說(shuō)，在遙遠(yuǎn)的地質(zhì)時(shí)期，月球的位置要離地球近一些。為了證實(shí)這一觀點(diǎn)，國(guó)際著名的地質(zhì)學(xué)家C loud對(duì)世界不少地區(qū)潮間帶疊層石進(jìn)行了深入調(diào)查和研究，他發(fā)現(xiàn)距今10億年前潮間帶疊層石概要縱斷面高度遠(yuǎn)比現(xiàn)今的大得多，其中一些可達(dá)6米。這表明當(dāng)時(shí)潮汐振幅應(yīng)在6米以上。因而他推測(cè)前寒武紀(jì)中期前后，潮汐幅度超過(guò)其它任何時(shí)期，當(dāng)時(shí)地月距離最為接近。但他的這一看法并沒(méi)有被廣泛接受。有學(xué)者認(rèn)為，距今30億年前的潮汐高差更大，可達(dá)12-25米?？磥?lái)，這項(xiàng)研究仍需接著傳遞下去。

地質(zhì)時(shí)期歷年天數(shù)示意圖（依據(jù)古生物鐘資料）