荊山楚水間的地球故事

馬福軍 王秋軍 董俊玲

荊山楚水間的地球故事

馬福軍 王秋軍 董俊玲

美麗的宜昌

宜昌三峽地區(qū)不僅風(fēng)景怡人，也是地質(zhì)研究者的天堂?！昂＜{百川，有容乃大”，這句話在地質(zhì)領(lǐng)域中尤其適用，對每一個從事地質(zhì)研究的人來說，都渴望到世界上地質(zhì)現(xiàn)象最典型的地方去。2013年10月28日至11月4日，來自中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所（下稱“南古所”）以及蘭州大學(xué)等高校的學(xué)生和研究生共54人，一同奔赴湖北宜昌“三峽地區(qū)”參加了由南古所組織的2013年研究生野外現(xiàn)場教學(xué)。作為蘭州大學(xué)的一份子，我們有幸參加了這次野外考察，跟隨老師走進地質(zhì)學(xué)家的天堂——宜昌三峽。此次實習(xí)是在國家自然科學(xué)基金委特殊學(xué)科點基金和現(xiàn)代古生物學(xué)和地層學(xué)國家重點實驗室的支持下，旨在通過對我國前寒武紀(jì)至中生代一系列經(jīng)典野外剖面進行系統(tǒng)考察，并通過科研人員的指導(dǎo)和同學(xué)之間的合作，提高研究生的野外實踐能力，逐步培養(yǎng)對地質(zhì)工作的熱情以及團隊協(xié)作的精神。在前4天的考察過程中，由南古所研究人員擔(dān)任指導(dǎo)老師，帶領(lǐng)我們大家前往峽東以及興山地區(qū)考察了前寒武紀(jì)——中生代的經(jīng)典剖面，了解了三峽地區(qū)的構(gòu)造背景及地層序列。此外，在后面4天的時間里，大家分組在帶隊老師的指導(dǎo)下對各自的研究剖面進行了實測采樣和深入研究，完成專題任務(wù)?？疾熘形覀儾粌H領(lǐng)略了三峽風(fēng)光的新奇秀美，更欣賞到億萬年來形成的、珍貴的地質(zhì)遺跡和原始的自然風(fēng)貌。

大美宜昌

10月26日，從黃河之濱的蘭州出發(fā)，10月28日我們到達了這次旅程的目的地——宜昌。宜昌，如它的名字一樣，適宜人居，繁榮昌盛。美景與江水的滋潤，巴楚文化的浸染，讓這里從古至今一直美麗。三峽鋪展山水畫廊，屈原祠傳承明清風(fēng)格，神農(nóng)架描摹人與自然和諧，中國一流，世界知名。在這里，既可以欣賞神秘原始的峽谷風(fēng)光，更可以探究歷史人文留下的深深印痕，感受與文人相得益彰的美麗故事。

宜昌不僅風(fēng)景美麗，也是我們地質(zhì)研究者的天堂。從距今18億年前的元古界到距今百萬年前的新生界的各個地質(zhì)時代的地層均有分布，且發(fā)育完整，出露齊全，其中許多典型地質(zhì)剖面在中外地質(zhì)領(lǐng)域享有盛名。世界著名地質(zhì)學(xué)家李四光在考察了三峽地區(qū)地質(zhì)地貌后，完成《李四光地質(zhì)力學(xué)構(gòu)造形跡》而成為一代宗師。宜昌市地質(zhì)構(gòu)造總的輪廓是：區(qū)內(nèi)中、北部為黃陵背斜，東邊有當(dāng)陽盆地，西邊為秭歸盆地，南邊為長陽背斜、仁和坪向斜，西南邊為五峰向斜，西北邊為神農(nóng)架背斜，北側(cè)為臺緣褶皺帶。從地質(zhì)力學(xué)角度看，為新華夏系一級構(gòu)造第三隆起帶南段與淮陽山字型構(gòu)造體系的復(fù)合部位。海洋轉(zhuǎn)陸地，盆地成高山，滄海變桑田。漫長的地質(zhì)歲月雖然一去不可復(fù)還，但它記錄的極其珍貴的遺跡卻遍布在宜昌的地層之中。每一段巖層，每一塊巖石似乎都有生命，向我們說明了幾億年前地球上發(fā)生的一切……

“雪球地球”的故事

10月29日，由朱茂炎研究員和李國祥研究員帶領(lǐng)我們考察了三峽地區(qū)前寒武紀(jì)——寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折的地層以及古生物。當(dāng)我們游覽于群峰輾轉(zhuǎn)于幽谷之時，借助巖石特征去追溯那地質(zhì)歷史的軌跡，探究那滄海桑田的淵源。這里具有世界上較完整的前寒武紀(jì)地層，地質(zhì)構(gòu)造完整，地層出露齊全。既保存著前寒武紀(jì)、寒武紀(jì)的化石群，又顯露重要的地質(zhì)遺跡，如南沱組冰磧巖及“雪球地球”事件、陡山沱組蓋帽白云巖及氣候回暖事件、震旦——寒武系黑色巖系及成礦作用等，具有全球?qū)Ρ纫饬x。這里我們只是拋磚引玉，簡單介紹一下南沱組冰磧巖及其中的“雪球地球”故事。

南沱組冰磧礫巖

南沱組為冰川堆積，主要為巨塊狀冰磧泥礫巖，總體綠灰色，少數(shù)為紫紅色。礫石大小不一，分選性差，形狀多樣，成分復(fù)雜，常見礫石上有擦痕或釘字形凹坑。就在這些雜礫巖有擦痕或釘字形凹坑之中，地質(zhì)學(xué)家解剖出了這樣一個信息：那就是7億年前的新元古代后期，地球有可能經(jīng)歷了一次非常大的冰河期，當(dāng)時冰河可能一直延伸到如今的熱帶地區(qū)。冰河期的一個顯著特征是由冰川事件形成的與眾不同的沉積層——冰河流動侵蝕地面，并沿途帶走大量的巖石，因此在冰川移動之處都會留下沖刷的痕跡。冰川作用的另一個顯著遺跡是它往往會產(chǎn)生非常大的巖石，通常被稱為漂石，這些漂石隨著冰川活動被帶入海里，最終滾落進入海底沉積物中。

更為驚奇的是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在距今8億到6億年前，地球劇烈的氣候變化有可能使地球變成了一個“雪球”。也就是說，如果在8億年前，從火星上拍攝一張地球照片的話。那么我們看到的景象可能不會是一個藍色的球，而是一幅黑白圖景，沒有我們今天熟悉的藍色海洋和綠色大地，只有一片白茫茫的冰雪覆蓋在黑黝黝的土地上，地球看起來只是懸浮在太空中的一顆毫無生息的白色“雪球”。地球上所有地方都像如今的南極洲一樣千里冰封，海岸線上的積冰至少有1000米厚，內(nèi)陸地區(qū)的冰雪層更厚。當(dāng)時地球氣溫低至零下40℃，所有的濕氣都被凍結(jié)出空氣，只有火山爆發(fā)時才有云霧產(chǎn)生。除了冰川開裂的聲音，以及偶爾的地震轟隆聲和火山爆發(fā)的巨響之外，地球是一片寂靜沉默的世界。

“雪球地球”？難以名狀的心靈沖擊，雖然眼前的一切是平靜的，但平靜中你能感受到一種大自然的力量，滄海桑田，風(fēng)霜雨雪，一切都在沉默中改變。所有的推斷和發(fā)現(xiàn)，讓我們不得不感嘆：日升月落還在繼續(xù)，今天蔚藍色星球，何以在億萬年前形成“雪球地球”？有科學(xué)家提出，關(guān)鍵在于地球的反照率，即地球反射而不是吸收太陽輻射所達到的程度，反照率的影響有可能非常巨大。在冰川期，覆蓋大地的皚皚白雪提高了地球?qū)﹃柟獾姆凑章?。如果地球溫度冷到冰蓋足以覆蓋半個地球表面，冰川到達南北緯度30°的地方。地球就像一個晶瑩閃耀的雪球，將大量陽光反射回太空，而地球自然變得越來越冷，并很快達到全球冰封的程度。這樣，只需要幾年甚至更短時間，地球就會變成一個幾乎完全被冰雪覆蓋的星球。

面對滄海桑田的變遷，人類不能不為大自然的力量所折服。大自然用它的巨筆不停的在地球上作出了一幅幅令人嘆為觀止的畫卷，無時不刻的改變著地球的容顏。誰能知道，明天的地球?qū)窃鯓拥哪兀?/p>

地球年輪——熠熠生輝的金釘子

初次聽說“金釘子”，想當(dāng)然認(rèn)為是一枚黃金做的釘子。后來才知道，所謂“金釘子”是一種永久性紀(jì)念標(biāo)志的代名詞，源于宣告美國首條橫穿美洲大陸鐵路竣工時打下的最后一顆用18K金制成的釘子。而后，“金釘子”被地質(zhì)學(xué)引用，作為“全球年代地層單位界線層型剖面和點位”的俗稱，學(xué)名為Global Stratotype Section and Point（簡稱GSSP），也就是說“金釘子”是標(biāo)志地質(zhì)年代分界線的代表地點。地球已有46億年歷史，時間長河在巖石地層上留下了烙印。如同記錄年代的單位年、月、日一樣，巖石地層也有它自己的年表，依次分為宇、界、系、統(tǒng)、階。其中，階是基本單位，可以由“金釘子”來確定其底界。而每一枚“金釘子”的獲得，既表明一個國家地層古生物學(xué)研究躋入國際先進水平，又是一個國家的崇高榮譽。

截至目前，我國已經(jīng)獲10枚“金釘子”，湖北擁有其中兩枚，分別為宜昌王家灣上奧陶統(tǒng)赫南特階底界界線層型剖面及點位、黃花場中奧陶統(tǒng)底界暨大坪階底界界線層型剖面和點位。2枚“金釘子”相距不到20公里，在世界上十分罕見。10月30日，對我們來說無疑是個好日子。在短短幾個小時的時間里，由李越研究員和樊雋軒研究員帶領(lǐng)我們?nèi)グ菰L了這兩枚金釘子：黃花場“金釘子”和王家灣“金釘子”。那天，老天似乎是在嫉妒我們的好運氣，一整天都陰沉沉的，淅淅瀝瀝的雨滴滴答答下個不停，蓄著絲絲寒意，氤氳了整個世界，但無法氤氳的是我們興奮不已的心情。

上午，李越研究員帶領(lǐng)我們拜訪了黃花場“金釘子”，它是世界第66枚、中國第7枚、也是地球年輪中奧陶紀(jì)的最后一枚“金釘子”，距今4.72億年。到了黃花場，半山坡間，有一塊水泥制作的小小碑牌豎立著，一個敞開的手提電腦那么大，上有黑色的GSSP字樣。“那就是金釘子的精確位置”，李越研究員說：雖然看起來不起眼，它卻是經(jīng)過世界級的巔峰對決，一波三折才獲得的。這里面包含了它的發(fā)現(xiàn)者汪嘯風(fēng)教授團隊30年的積累和6年的拼搏。當(dāng)時，中國的“黃花場剖面”與美國的“白石剖面”、加拿大的“紐芬蘭牛頭群剖面”和阿根廷的“尼吉威爾剖面”曾進行馬拉松式的競爭，經(jīng)過世界各國評委兩輪秘密投票，才敲定了地球奧陶紀(jì)最后一枚金釘子。

我們跟隨李越研究員拾階而上，在“黃花場剖面”紀(jì)念碑旁邊的亭子里，看到了神秘的“三角波羅的海牙形石”模型標(biāo)志。模型雖然很大，真正的牙形石其實很小，肉眼是看不到的，可以想象汪嘯風(fēng)教授和他的團隊經(jīng)歷了怎樣的大海撈針的探索之旅才找到三角波羅的海牙形石的。最后，我們來到世人矚目的“金釘子”紀(jì)念碑前，紀(jì)念碑高大堅實，令人心生敬畏，紀(jì)念碑下是黃花場剖面指示碑，這一切，即組成全球中/下奧陶統(tǒng)劃分和對比的唯一標(biāo)準(zhǔn)。這顆金釘子是奧陶系最后一顆，標(biāo)志著全球奧陶系年代系統(tǒng)的最終建立。

黃花場“金釘子”說明碑

三角波羅的海牙形蟲

秋雨，依舊淅淅瀝瀝，洋洋灑灑，泛濫著思緒！眼眸平行處，層層疊疊的雨霧，在空氣中飄飄揚揚。行走在雨珠輕輕落下的路上，恍然能呼吸到泥土的芬芳；心緒，在這一刻也跟隨三角波羅的海牙形石去穿越遙遠的奧陶紀(jì)。朦朦朧朧，影影綽綽。思緒還在牙形石的世界中深呼吸，不覺中，樊雋軒研究員帶領(lǐng)我們開始了探秘王家灣奧陶系赫南特階的金釘子旅程。它是宜昌第1枚“金釘子”，地點位于夷陵區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)王家灣村，距今4.456億年。2006年5月，國際地科聯(lián)正式批準(zhǔn)確立中國湖北宜昌王家灣剖面觀音橋?qū)拥?.39米處為全球古生代奧陶紀(jì)末期赫南特階底界的金釘子，以異形正常筆石的首次出現(xiàn)為標(biāo)志。這一金釘子的確定為研究奧陶紀(jì)末期的古氣候、古環(huán)境變化及生物大滅絕等種種謎團提供了一個基礎(chǔ)。

億萬年來地球的滄海桑田運動抹掉了生物大滅絕時的凄慘，然而再高明的“罪犯”也會留下蛛絲馬跡，這些細(xì)微的證據(jù)在這個位于鄉(xiāng)村公路旁毫不起眼的王家灣剖面巖層中。戎嘉余院士和陳旭院士帶領(lǐng)研究團隊，年復(fù)一年，拿著地質(zhì)錘、放大鏡和羅盤，一公分一公分、一層一層地仔細(xì)觀察著巖石，試圖解讀巖層中隱藏著的諸多地質(zhì)信息。在付出了巨大的毅力和耐心后，他們終于讀懂巖層中記錄的奧陶紀(jì)末期海洋動物大滅絕的故事。在奧陶紀(jì)末期王家灣地區(qū)是一片海洋，在這看似平靜的海洋中，發(fā)生了奧陶紀(jì)末期兩幕式的生物大滅絕。第一幕大滅絕的主幕，就是以筆石動物為主的生物群大部分滅絕了，僅世界廣布的少數(shù)物種殘存下來，其主要原因是海平面發(fā)生五十到一百米的大幅度下降和海水五到十度的降溫。而大滅絕的第二幕發(fā)生在腕足類動物之中，它們在第一幕滅絕后出現(xiàn)，也就是說這些腕足類動物是在溫度降低之后的海洋環(huán)境中出現(xiàn)的，它們已經(jīng)適應(yīng)了較低的海水溫度，科學(xué)家們把它們稱為涼水動物群，它們滅絕的原因依然是水溫的變化，不過這次不是海水變涼了，而是海水變熱了。當(dāng)時的地球跟古生物開了一個大玩笑，地球的氣溫突然變熱，冰蓋迅速消融，全球海水溫度迅速升高。這個大變化，又給生物界帶來了新災(zāi)難。但是這個災(zāi)難比較小，第二幕的規(guī)模相對小一些，因為在第一幕滅絕后的生物已經(jīng)比較少了。至此，奧陶紀(jì)末期生物一大一小兩幕式滅絕的真相大白于天下。

王家灣“金釘子”紀(jì)念碑

王家灣“金釘子”紀(jì)念碑背面觀

波痕的故事

在領(lǐng)略了海相地層所獨有的魅力之后，10月31日下午，我們在王永棟研究員和張海春研究員的帶領(lǐng)下，去見證了峽東地區(qū)陸相地層別樣的風(fēng)采。從香溪植物群的多樣性，到炭屑中記錄的森林火災(zāi)，再到鈣質(zhì)結(jié)核中蘊含的古CO2信息，一幕幕地球故事，映入腦海。每一個故事都很精彩，但是對我而言，記憶最為深刻的還是泄灘組砂巖中蘊藏的地球故事。

在泄灘組砂巖發(fā)現(xiàn)有排列整齊呈波狀起伏的紋路，這是由水流流動時將河床表面沉積物搬動所形成的波狀結(jié)構(gòu)，稱為波痕。一般在野外看到的波痕大小只有十?dāng)?shù)公分長。這次比較幸運可以看到長約1公尺以上巨大的波痕，這種機會是極少的，因為巨大的波痕必須由較強的水動力能形成。此外，波痕遺跡有幸保存，還因為它們具有抵抗大自然風(fēng)化剝蝕的神奇力量，在巖層中埋藏了上億年之久，在近萬年的地質(zhì)運動中逐漸裸露出來。這些精美波痕的出現(xiàn)，不僅是一種視覺享受，還有著更多的科學(xué)價值：確定當(dāng)時的沉積環(huán)境，解讀遠古的地質(zhì)信息。

泄灘組河流波痕

指導(dǎo)老師讓我們仔細(xì)察看波痕的結(jié)構(gòu)，突起的部分稱為波峰、凹下的稱為波谷。當(dāng)前波痕從波峰突起的外型來看，兩側(cè)斜面呈不對稱形型，以此就可以知道是由單向水流作用所致，進而可以確定一個水流的大方向。不對稱型波痕有一側(cè)較大且較緩，另一側(cè)較小且較陡；水流是由斜面較緩的流向較陡的方向。不同的波痕講述的是不同的故事。此外，在波痕的表象還有更為細(xì)致的遺跡化石，這些化石記錄著巖石在億萬年間所經(jīng)歷的滄桑巨變。遺跡化石也稱痕跡化石，是指保存在巖層中各類生物生命活動時留下的痕跡和遺物，它所反映的是生物的生命活動，行為習(xí)性和覓食營養(yǎng)活動的細(xì)節(jié)。撫摸著巖石上的波痕，仿佛遁入了那個未知的遠古，涓涓細(xì)流又仿佛在耳邊響起，各種生物活動映入眼簾。遺憾的是，波痕遺跡并不是一種可以長久留存的，隨著歲月的推移，它們終有一天會走出我們的視線，但是今天的河流中會有更多的波痕留給未來。

短短幾天的野外現(xiàn)場教學(xué)，聽聞的精彩的地球故事絕不僅僅這三四個，而書寫于巖石之中的地球故事更是枚不勝舉。此處我們只是拋磚引玉，而更多精彩的故事需要更多的你和他去挖掘，來講述，因為地球的故事就書寫在巖石之中。雖然這本歷史之書已經(jīng)被撕碎，僅存的部分也散落于四處。然而，它終究還是在那里，最為重要的部分仍舊清晰可讀。地質(zhì)學(xué)家們不知疲倦地拼湊這些看得見摸得著的地質(zhì)遺跡，解讀其中的地球故事。

最后，感謝南古所各位老師所提供的幫助和支持！感謝蘭州大學(xué)孫柏年教授給予我們這次野外實踐的機會！感謝南古所馬譞和楊慧寧同學(xué)提供的部分珍貴照片！

作者單位：蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院

泄灘組遺跡化石