從地層記錄的時(shí)空有序性解讀地層學(xué)發(fā)展

王龍，張瑞，華柑霖，張磊

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083

0 引言

17世紀(jì)丹麥學(xué)者N. Steno提出的地層三定律和18世紀(jì)英國工程師Smith提出的生物層序律奠定了巖石和生物地層學(xué)的基本原理及研究方法，并厘定了最初的地層系統(tǒng)，使得第一張地層表在1799年誕生[1-3]。幾乎與Smith同時(shí)，法國地質(zhì)學(xué)家Cuvier與Brongniart注意到地層記錄中的沉積間斷是普遍的和客觀存在的，進(jìn)一步推斷地球經(jīng)常遭受各種突如其來的災(zāi)難，有的規(guī)模很大甚至具有全球性，過去發(fā)生的事情與今天是很不相同的[3-5]。這種“災(zāi)變論”的觀點(diǎn)逐漸被Lyell[6]的“均變論”所取代，他認(rèn)為地球巨大的地貌變化是在看似微弱的流水、風(fēng)和潮汐等地質(zhì)作用的緩慢改造下形成的，強(qiáng)調(diào)“現(xiàn)在是認(rèn)識過去的鑰匙”[7]。在此后的一個(gè)世紀(jì)里，“將今論古”的現(xiàn)實(shí)主義原理成為了地質(zhì)學(xué)家的信條，并隨著開始運(yùn)用生物群而不僅僅依靠單個(gè)化石來劃分和對比地層，“相”概念的引入，以及古地理學(xué)和古生態(tài)學(xué)的出現(xiàn)，地層學(xué)變得更加豐富和成熟，開始向綜合研究的方向發(fā)展[1-2,6,8]，最具標(biāo)志性的事件之一是《地層學(xué)原理》于1913年的正式出版[9]。這本巨著不僅包含地層學(xué)本身，而且還包含后來從地層學(xué)中獨(dú)立出去的沉積學(xué)等學(xué)科，統(tǒng)一而無所不包的地層學(xué)研究是這個(gè)時(shí)期的主題和追求[1-2,6-9]。

但地質(zhì)學(xué)家慢慢發(fā)現(xiàn)，由于地層記錄的復(fù)雜性和不完備性，很難用某一標(biāo)準(zhǔn)定義出放之四海而皆準(zhǔn)的統(tǒng)一的地層單位，從而在上世紀(jì)70年代形成了以多重地層劃分概念為核心的現(xiàn)代地層學(xué)理論[2,8,10]。多重地層劃分概念認(rèn)為巖層是客觀物質(zhì)，擁有許多不同的特征和屬性，依據(jù)它的不同特性，可以劃分出不同的地層單位，各類單位的界線可以一致，也可以不一致[1-3]。這種分類理念隨著各種測試手段和方法的應(yīng)用，以及板塊構(gòu)造學(xué)說的誕生和災(zāi)變論等地質(zhì)思想的復(fù)興，促使一系列地層學(xué)分支學(xué)科出現(xiàn)，除傳統(tǒng)的年代地層學(xué)、巖石地層學(xué)和生物地層學(xué)外，磁性地層學(xué)、生態(tài)地層學(xué)、化學(xué)地層學(xué)、事件地層學(xué)、地震地層學(xué)、旋回地層學(xué)和層序地層學(xué)等新興學(xué)科理論也蓬勃發(fā)展[1,11-14]。

這些研究對象較為專一的地層學(xué)分支學(xué)科的出現(xiàn)和發(fā)展無疑有助于地層學(xué)研究的深入和細(xì)化，但我們也不禁疑問，根據(jù)不同特征和屬性建立的地層單位之間是否存在關(guān)聯(lián)？以及是否存在貫穿于這些地層學(xué)分支學(xué)科發(fā)展的主線，從而重新將趨向碎片化的地層學(xué)作為一個(gè)整體進(jìn)行思考？回顧地層學(xué)發(fā)展史，盡管在地層記錄中，巖性變化、生物變化、物理變化和化學(xué)變化并不是嚴(yán)格地統(tǒng)一到時(shí)間變化中，但是它們在時(shí)間和空間中的分布是有序和有規(guī)律的，這種對地層記錄的時(shí)空有序性的揭示正是所有地層學(xué)分支學(xué)科共同面臨的主題。因而，本文系統(tǒng)總結(jié)和梳理了地層記錄的時(shí)空特性，并以建立了地質(zhì)時(shí)間坐標(biāo)的國際地層年代表和歸因于天文節(jié)律的沉積旋回為例，闡述了地層學(xué)不同分支學(xué)科在揭示地層記錄時(shí)空有序性的過程中如何相互影響并走向統(tǒng)一。實(shí)際上，地層學(xué)發(fā)展的歷程就是對地層記錄時(shí)空有序性認(rèn)識不斷深化的過程。

1 地層記錄的時(shí)空特性

1.1 地層記錄穿時(shí)的普遍性和對不整合的新認(rèn)識

基于對意大利北部山脈的野外觀察，丹麥學(xué)者N. Steno于1669年提出地層層序律(又稱地層疊覆律)，即年代較老的地層在下，年代較新的地層疊覆在上[1-3]，認(rèn)為地層是呈“滿天毛毛雨式”或“落雪式”地一點(diǎn)一點(diǎn)地垂向堆積而形成的(圖1a)。地層疊覆律闡述了一類重要的地層沉積作用方式——垂向加積作用，并為未經(jīng)歷重大構(gòu)造變形的地區(qū)提供了一個(gè)確定相對地層年代的基本方法。但人們很快認(rèn)識到，伴隨著海侵—海退過程，沉積物更傾向于沿水平方向的側(cè)翼堆積，一個(gè)砂體或者生物礁總要隨著環(huán)境的變化而產(chǎn)生橫向遷移，這種遷移的普遍性造成了巖層穿時(shí)的普遍性[15-18](圖1b)。事實(shí)上，在地層形成過程中，側(cè)向加積作用和垂向加積作用往往密不可分，所有沉積的地層幾乎都是兩個(gè)堆積作用疊合的結(jié)果，最終導(dǎo)致了巖石地層單位穿時(shí)的普遍性[15-19]。盡管地質(zhì)學(xué)家很早就認(rèn)識到地層因沉積作用導(dǎo)致的穿時(shí)性——即地質(zhì)記錄在時(shí)間上的不連續(xù)性或間斷性，但直到“水下不整合面[20-21]” 這一概念的提出，才發(fā)現(xiàn)沉積穿時(shí)性的強(qiáng)度和多樣性仍然被低估。

不整合最初專指褶皺作用導(dǎo)致的兩套產(chǎn)狀明顯不同的地層之間的角度不整合，是一個(gè)構(gòu)造概念。19世紀(jì)后，化石開始普遍應(yīng)用于確定巖層的地質(zhì)年齡[4]，發(fā)現(xiàn)兩套沒有構(gòu)造顯示、相互平行的地層之間也可能存在上百萬年甚至上億年的沉積間斷，并命名為平行不整合。平行不整合的命名讓不整合面開始有了地層學(xué)的含義。雖然仍然認(rèn)為其成因是構(gòu)造主導(dǎo)的，即當(dāng)區(qū)域遭受構(gòu)造抬升時(shí)發(fā)生剝蝕作用，后期沉降后又開始接受沉積，從而形成不整合面。但對不整合的理解開始從地層關(guān)系在空間上的不協(xié)調(diào)，轉(zhuǎn)變到在時(shí)間屬性上的不連續(xù)，具體表現(xiàn)為地層記錄的長時(shí)間間斷或缺失。不整合本身就蘊(yùn)含著穿時(shí)性的概念，這是地層的沉積方式所決定的。即便假定出極端的地質(zhì)條件：某一區(qū)域在瞬間被整體抬升，形成暴露剝蝕面，然后再整體沉降接受沉積，形成的不整合面依然是穿時(shí)的。這是因?yàn)楸┞秳兾g面不可能被“落雪式”的垂向加積所等時(shí)覆蓋，只能在垂向加積和側(cè)向加積的共同作用下形成一個(gè)穿時(shí)面。

有趣的是，雖然關(guān)于層序應(yīng)用最廣泛的定義是Vailetal.[22]提出的“由不整合面及其可對比的整合面所限定的單位”，但大家都明顯忽視了不整合面作為層序界面的穿時(shí)性，而強(qiáng)調(diào)“層序地層學(xué)建立了地層的等時(shí)格架”，這或許與層序地層學(xué)的發(fā)展歷史有關(guān)。層序地層學(xué)是在地震沉積學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，地震沉積學(xué)假定[23-24]：1)地震反射同相軸基本上是沉積等時(shí)面，而非宏觀巖性界面的反映；2)各反射同相軸的系統(tǒng)中斷面也具有一定的等時(shí)性，表示某一時(shí)刻的沉積間斷，因而未加論證的認(rèn)為依此建立的層序在時(shí)間屬性上是一致的。實(shí)際上，不僅僅是層序界面，層序內(nèi)部也包含了廣泛的穿時(shí)性[25]。如果我們把層序地層從空間域的分布轉(zhuǎn)化為時(shí)間域的分布，就會發(fā)現(xiàn)每一個(gè)被解釋出來的沉積體的邊界均是穿時(shí)的(圖2)。這些穿時(shí)的沉積體界面中有兩個(gè)最大穿時(shí)面，分別為一系列地震反射軸上超的界面即陸相不整合面，和一系列地震反射軸下超的界面即最大海泛面(水下不整合面)[20-21,25](圖2)。如果把每一個(gè)地震反射軸看作近似等時(shí)的話，不難得到這兩個(gè)面必然穿時(shí)的結(jié)論。雖然當(dāng)時(shí)并未提到“水下不整合面”的問題，但自覺或不自覺的運(yùn)用這兩個(gè)不整合面建立了兩種層序地層學(xué)模式，即以陸上不整合面及可對比的整合面作為邊界的Vail學(xué)派建立的I型和II型層序地層模式[23-27]，以及以水下不整合面(最大海泛面)及可對比的整合面作為層序邊界的Galloway學(xué)派建立的成因?qū)有虻貙幽Ｊ絒26-27](圖2)。

圖1 兩種沉積模式示意圖(修改自文獻(xiàn)[17-18])Fig.1 Two different depositional patterns (modified from reference [17-18])

如果說陸上不整合面作為一個(gè)剝蝕作用或風(fēng)化作用面，本身就明顯表現(xiàn)出穿時(shí)性的話，那么由沉積物非補(bǔ)償產(chǎn)生的饑餓性作用乃至非沉積作用形成的水下不整合面則更為隱秘。但結(jié)論是明顯的：無論是侵蝕作用、非沉積作用，還是沉積作用(天然表現(xiàn)為側(cè)向加積和垂向加積的疊加)，都能造成地層的缺失與穿時(shí)，是地層記錄不完備性和穿時(shí)性的具體表現(xiàn)。因而在對地質(zhì)歷史的記錄者——地層的研究過程中，巖層體和界面(間斷面)同等重要。巖層體以旋回的形式記錄著地質(zhì)歷史的連續(xù)變化，界面(間斷面)則確定這些巖層體的時(shí)間框架和歸屬。盡管地質(zhì)作用過程繁復(fù)復(fù)雜，但依然可以根據(jù)地層記錄恢復(fù)其時(shí)空秩序。

圖2 層序界面及內(nèi)部沉積體的穿時(shí)性和陸上、水下兩種不整合面的示意圖[22-28]LST代表低水位體系域，包括低位扇(LSF)和低位楔狀體(LSW)；HST為高水位體系域；TST為海進(jìn)體系域；SMD表示陸架邊緣沉積；IVF表示下切谷；DLS表示凝縮段沉積；SB1為Vail定義的I型層序界面；SB2為Vail定義的II型層序界面；sb代表Galloway定義的成因?qū)有蚪缑鍲ig.2 The diachronism in sedimentary sequence and two kinds of unconformities [22-28]LST represents lowstand systems tract, including lowstand fans (LSF) and lowstand wedges (LSW); HST is highstand systems tract; SMD is transgressive systems tract; SMD is continental margin sediments; IVF is incised valley; DLS represents condensed section; SB1 is sequence boundary of type I defined by Vail; SB2 is sequence boundary of type II defined by Vail; sb is genetic sequence boundary

1.2 地層記錄的旋回性——?dú)w因于天文節(jié)律的沉積節(jié)律

在研究巴黎盆地第三紀(jì)化石時(shí)，Cuvier和Brongniart發(fā)現(xiàn)了生物集群滅絕的現(xiàn)象，并于1821年提出災(zāi)變論的觀點(diǎn)[29]，但逐漸被“現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)之父”Lyell的均變論所取代。Lyell強(qiáng)調(diào)“現(xiàn)在是認(rèn)識過去的鑰匙”，認(rèn)為地球歷史是長遠(yuǎn)且漸進(jìn)的，地球表面的所有特征被看似“微弱”的、難以覺察的地質(zhì)作用力(如風(fēng)、河流、潮汐等)所塑造[6-7]?！皩⒔裾摴拧钡默F(xiàn)實(shí)主義原則奠定了現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)[6-7]，與瓦爾特相律(只有在橫向上成因相近且緊密相鄰而發(fā)育著的相，才能在垂向上依次疊覆出現(xiàn)而沒有間斷)一起，成為現(xiàn)代動力地層學(xué)分析和相分析的基礎(chǔ)，反應(yīng)了疊覆的地層和沉積相在空間上和時(shí)間上的有序性。

這種有序性的一個(gè)重要表現(xiàn)是幕式(周期性)的堆積過程。地質(zhì)學(xué)家較早就注意到地層中發(fā)育一系列沉積旋回的現(xiàn)象，其中洛非爾旋回層就是典型代表，但由于成因機(jī)制得不到合理解釋而被忽視。20世紀(jì)80年代末，費(fèi)希爾和其他地層學(xué)家根據(jù)米蘭科維奇理論分析了沉積旋回與地球軌道效應(yīng)旋回之間的成因聯(lián)系[30](圖3a)，將沉積旋回進(jìn)一步定義為天文旋回，提出了旋回地層學(xué)。

在旋回地層學(xué)誕生之前，紋層(lamina)、層(bed/layer/stratification)、層束(bundle)、層束組(bundleset)和超層束組(superbundleset)是地層學(xué)中經(jīng)常使用的描述性或記錄性術(shù)語(圖3b)。紋層指成分、結(jié)構(gòu)相對均一，厚度為毫米級(小于或等于1 mm)，肉眼可見的最小地層單元；層的厚度較大，為厘米級或厘米級以上，可以橫向延伸幾厘米至數(shù)千米；層束由2種或2種以上不同的紋層或?qū)訕?gòu)成，通常成對出現(xiàn)；超層束組由多個(gè)層束組合而成，界面通常為顯示度較高的自然層面，在空間上具有較穩(wěn)定的延伸和較大范圍的分布[31]。而旋回地層學(xué)的誕生則賦予紋層、層、層束和層束組等術(shù)語解釋性含義，認(rèn)為這些紋層所代表的級序結(jié)構(gòu)是時(shí)間循環(huán)性在地層記錄中的具體表現(xiàn)。已被證實(shí)的第四紀(jì)米蘭科維奇旋回中，單個(gè)旋回的周期大致是10萬年，對應(yīng)短偏心率變化周期；一般4個(gè)單旋回組成一個(gè)更大級別的大致40萬年的旋回，對應(yīng)長偏心率變化周期[31-32](圖3)。

圖3 導(dǎo)致米蘭科維奇旋回的地、月、日系統(tǒng)(a)及旋回地層的級序結(jié)構(gòu)(b)[31]米蘭科維奇旋回是指地球的3個(gè)軌道要素，偏心率、斜度(黃赤交角)和歲差發(fā)生周期性變化而使地球氣候發(fā)生規(guī)律性變化的現(xiàn)象，這種周期性變化出自月球、木星等天體的影響。偏心率是地球繞太陽公轉(zhuǎn)橢圓軌道的赤道半徑與極半徑之差與赤道半徑之比，第四紀(jì)的變化周期為10萬年；斜度是地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面(黃道面)與赤道面的夾角，第四紀(jì)的變化周期約為4萬年；歲差是指地球自轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動，春分點(diǎn)沿黃道面向西緩行，使回歸年短于恒星年的現(xiàn)象，歲差周期在第四紀(jì)約2萬年Fig.3 The Milankovich cycle caused by earth-moon-sun system (a) and the hierarchical structures of cyclostratigraphy (b) [31]The Milankovich cycle is the periodic variations of the earth's climate caused by three orbit elements of the earth, eccentricity, obliquity (Huang Chi angle) and precession, influenced by the moon, Jupiter and other celestial bodies. Eccentricity is ratio between the difference (the equator radius minus the polar radius) and the equator radius of elliptical orbit that the earth goes around the sun, and the change period is 100 thousand years in Quaternary. The obliquity angle between the plane and the equator, and the change period is 40 thousand years in Quaternary. The precession is the variation of earth rotation axis, which ambles to west along ecliptic plane on the equinox. And the change period is 20 thousand years in Quaternary

第四紀(jì)米蘭科維奇旋回周期和時(shí)長的確立，給更古老地層記錄的解釋提供了新的思路和認(rèn)識。例如認(rèn)為層紋石或紋理石的紋層反應(yīng)沉積環(huán)境和氣溫的周年循環(huán)，分為年紋層和季紋層，從而根據(jù)這些層紋的韻律變化可近似得到地層的沉積周期和時(shí)長[30-32]。第四紀(jì)米蘭科維奇旋回的證實(shí)和天文節(jié)律的提出也讓層序地層學(xué)逐漸擺脫了“構(gòu)造海平面變化”的概念，將控制層序形成的海平面變化機(jī)制歸因于天文旋回[33]：一級層序旋回與銀河年旋回對應(yīng)；二級層序旋回與銀道面旋回對應(yīng)；三級層序旋回與奧爾特星系旋回對應(yīng)；從而將地層各圈層復(fù)雜運(yùn)動和響應(yīng)機(jī)制納入了天文旋回的框架。

1.3 地層記錄的非漸變性和不可逆性

漸變論將地質(zhì)科學(xué)帶上了理性的軌道，但越來越多的證據(jù)表明“現(xiàn)在不一定是過去的鑰匙”，地層記錄的旋回性也經(jīng)常被一些災(zāi)變事件所打破。例如在地層中找不到表明生物緩慢進(jìn)化的連續(xù)化石，相反卻在化石中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些物種突然出現(xiàn)，另一些物種又突然消失[4-5]，這是不能僅僅依靠地層記錄的不完備性來解釋的，何況地質(zhì)歷史上不乏大規(guī)模生物“集群滅絕”的現(xiàn)象。這些證據(jù)讓地質(zhì)學(xué)家們重新思考，導(dǎo)致了“間斷平衡論”等學(xué)說的提出[34-35]。地層記錄既不是“均變的”，也不是“災(zāi)變的”，而是非漸變的，是兩者的結(jié)合?！皩⒔裾摴拧钡默F(xiàn)實(shí)主義原則奠定了現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)，對建立地層記錄的時(shí)空秩序予以科學(xué)的指導(dǎo)；而對地層記錄中時(shí)不時(shí)出現(xiàn)的“不協(xié)調(diào)”的點(diǎn)——突變或者災(zāi)變事件的研究，形成了新的學(xué)科分支事件地層學(xué)，這些突變或?yàn)?zāi)變事件常表現(xiàn)為沉積間斷、不整合、古生物演化系列中斷和特殊的事件沉積層等，成為劃分對比地層和建立等時(shí)格架的重要依據(jù)。

顯生宙之前發(fā)生的最具標(biāo)志的全球性事件是兩次巨型氧化作用事件(GOE)[36]。第一次大致發(fā)生在2.0～2.5 Ga期間，地球大氣圈經(jīng)歷了從缺氧到含氧的轉(zhuǎn)變，對應(yīng)的碳同位素值有較大的異常，并與同時(shí)代冰川作用即休倫冰期存在著重疊式發(fā)育的特點(diǎn)[36-37](圖4)。關(guān)于元古宙早期GOE的起因存在很多假說：如火山活動變?nèi)鹾偷蒯囟认陆凳购Ｑ笾墟囂潛p，導(dǎo)致依賴于鎳的產(chǎn)甲烷菌大量死亡，大氣圈中的甲烷減少對氧氣的破壞變?nèi)?，適應(yīng)氧氣這種“毒素”的產(chǎn)氧微生物增多，從而大氣圈中的氧含量進(jìn)一步提升[37]。但這次事件的深遠(yuǎn)影響卻是毋庸置疑的：一定量氧氣的出現(xiàn)對地球地形和海岸的變化起到了促進(jìn)作用，氧氣侵蝕的巖石向海洋釋放出大量的鐵、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，又導(dǎo)致了藍(lán)細(xì)菌和藻類生物的爆發(fā)，最終又導(dǎo)致光合作用的增強(qiáng)[37，39]。

圖4 地球的演化與非漸變和不可逆的地質(zhì)過程a.地球大氣圈的氧氣含量水平隨時(shí)間的變化曲線[36-37]；b.海洋中碳同位素的變化和地球上的6次主要冰期事件：(1)地球上最古老的冰川作用，(2)休倫冰期，(3)Sturtian冰期，(4)Marinoan冰期，(5)Gaskiers冰期，(6)石炭系—二疊系冰期。箭頭指代很低的氧氣含量周期，虛線代表有限的資料[36，38]Fig.4 The geological evolution of Earth and its punctuated equilibrium and irreversibilitya.The change curve of oxygen level in the atmosphere over geological time[36-37]; b.The change curve of carbon isotope in marine and the 6 main glacial events on Earth, (1) oldest glaciation, (2) Huronian glaciation, (3) Sturtian glaciation, (4) Marinoan glaciation, (5) Gaskiers glaciation， (6) Carboniferous-Permian glaciation. The arrow marks a very low oxygen content, and the dashed line represents the geological period with limited data[36,38]

在大約540～850 Ma的前寒武紀(jì)—寒武紀(jì)過渡時(shí)期，被命名為新元古代氧化作用事件(NOE)[36,38]的第2次巨型氧化作用事件(GOE-II)發(fā)生了。這段時(shí)期碳同位素異常值處于巨大的變化之中(圖4)，被稱作“咆哮的300 Ma[36-40]”。NOE也與其他一些事件密切相關(guān)，例如生物發(fā)生了重要的革新、羅迪尼亞大陸發(fā)生裂解和岡瓦納大陸再次匯聚，它們以埃迪卡拉動物群和寒武紀(jì)“生命大爆發(fā)”為代表，如還有一個(gè)著名的影響即“雪球地球[41]”事件。1992年，Kirschvink[41]首先提出在新元古代(550～800 Ma)曾經(jīng)出現(xiàn)過幾次“雪球地球”事件：極地冰蓋擴(kuò)展到赤道，整個(gè)地球被凍成一個(gè)大雪球，無數(shù)物種滅絕，僅有部分物種在深海地?zé)峥凇⒈w下液態(tài)水坑等地方或以孢子休眠的方式幸存下來，火山噴發(fā)的二氧化碳因地球生物不能光合作用而逐步累積，最終形成的溫室效應(yīng)才使地球走出冰封。

而顯生宙有大量化石記錄以來，共發(fā)生了5次大家已經(jīng)比較熟知的以大規(guī)模生物滅絕為標(biāo)志的全球性事件[42]：1)大約440 Ma奧陶紀(jì)末期發(fā)生的第一次物種大滅絕，推測全球氣候變冷所致；2)大約365 Ma泥盆紀(jì)后期發(fā)生的第二次生物大滅絕，推測為全球變冷，海洋缺氧導(dǎo)致；3)大約250 Ma二疊紀(jì)末發(fā)生的第三次生物大滅絕，推測為氣候突變、沙漠肆虐、火山噴發(fā)導(dǎo)致；4) 大約200 Ma三疊紀(jì)晚期第四次生物大滅絕，推測海洋缺氧和酸化導(dǎo)致；5)大約65 Ma白堊紀(jì)第五次生物大滅絕，推測星星撞擊，火山噴發(fā)所致。

這些事件表明地質(zhì)歷史不僅僅是旋回性量變的過程，還有質(zhì)變的存在?，F(xiàn)今的地球無論是大氣圈構(gòu)成、生命形式、氣候條件，還是海水鹽度和海平面變化等，都與地質(zhì)歷史時(shí)期差別巨大：雖然今天的地球大氣圈由21%的氧氣所組成，但在地球形成的最早期，大氣圈是缺乏氧氣的；地球最早期是缺乏生命的，出現(xiàn)生命后各個(gè)紀(jì)、世的主要生命形式又有很大不同；地球的氣溫是變化多端的，在冰室期和溫室期之間來回轉(zhuǎn)化；地球的磁場、海水的鹽度、火山噴發(fā)的多寡等等都是不斷變化著的參數(shù)。這些質(zhì)變讓地球歷史成為一個(gè)不可逆的過程，對“將今論古”的現(xiàn)實(shí)主義原則構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)，形成了一系列謎一樣的問題：為什么古生代及其以前的地層以白云巖為主，而中新生代以來主要為灰?guī)r沉積？為什么太古代和元古代有大量的微生物成因的巖石如疊層石，但極少有實(shí)體化石保存下來？……但與此同時(shí)，這些不同表現(xiàn)為一個(gè)個(gè)“地質(zhì)事件”被記錄和保存在地層中，給予我們恢復(fù)地層記錄時(shí)空秩序的證據(jù)和可能性。

2 地質(zhì)時(shí)間坐標(biāo)下的時(shí)空秩序

時(shí)間是全球統(tǒng)一的度量，因而年代地層表的建立使各國地質(zhì)學(xué)家得以在相同的時(shí)間界面上探討具有全球意義的地質(zhì)和生物事件。在地層記錄中，生物變化、物理變化、化學(xué)變化并不是嚴(yán)格統(tǒng)一到時(shí)間變化中，這是一個(gè)最基本的事實(shí)?；谀骋活悩?biāo)準(zhǔn)劃分的地層單位都非十全十美，但各類地層的劃分對比方法都不斷交融。年代地層最初的建立主要依靠化石，其理論依據(jù)是英國地質(zhì)學(xué)家史密斯于1796年提出化石層序律：含有相同化石的地層其時(shí)代相同。但年代地層學(xué)和生物地層學(xué)有著本質(zhì)的不同。一類生物化石從出現(xiàn)到消亡是一個(gè)時(shí)間段，根據(jù)地層中化石的組合內(nèi)容、繁盛和延續(xù)時(shí)限，生物地層可劃分為組合帶、延限帶和頂峰帶等[43-44]，這些生物地層單位是穿時(shí)的。而年代地層的界限是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，是嚴(yán)格的等時(shí)界面。盡管年代地層的劃分遇到了一些困難，比如“階”的實(shí)際內(nèi)容其實(shí)是生物帶的歸并，因而有人主張“階”是生物地層單位[43,45]，并懷疑另立時(shí)間地層單位的必要性。但隨著放射性同位素定年技術(shù)的發(fā)展，旋回地層學(xué)和事件地層學(xué)等的誕生，建立全球可對比的地層等時(shí)格架的任務(wù)沉舟側(cè)畔，重啟征程。

近40年來，年代地層學(xué)最主要的進(jìn)展是在顯生宇內(nèi)建立“金釘子”，即國際一致的階一級的全球標(biāo)準(zhǔn)層型剖面和點(diǎn)位(GSSP)。傳統(tǒng)的“年代地層單位”是由單位層型定義的，這會造成地層(時(shí)間)的重復(fù)或者缺失(圖5)。因?yàn)閱挝粚有投x了某一段剖面，有的剖面甚至是巖石地層單位轉(zhuǎn)化而來的，這樣的地層記錄必然有著普遍的穿時(shí)性和不完備性。例如圖5中建立在甲地的A階地層單位的上界，與B階地層單位的下界很可能有地層(時(shí)間)的缺失，這兩條界線極有可能是不等時(shí)的；同樣，立在甲地的B階地層單位的上界，與C階地層單位的下界也很可能有地層的重復(fù)或缺失；據(jù)此建立的全球年代地層必然是不連續(xù)和不完整的[44-48]。而作為不同地質(zhì)年代所形成的地層的全球唯一標(biāo)準(zhǔn)，“金釘子”不再定義某一個(gè)層型剖面，只采用界線層型定義一個(gè)年代地層的底界，這個(gè)底界自動成為下伏單位的上界。也就是說，一個(gè)年代地層單位本身并無上界，它是借用上覆單位的底界作為它的上界，從而確保在不同地點(diǎn)所建立的年代地層單位疊加成一個(gè)整體后，不會出現(xiàn)地層重復(fù)或缺失的情況(圖5)。即在時(shí)間上是一個(gè)單向連續(xù)曲線，是一個(gè)完全連續(xù)的年代地層和地質(zhì)年代框架，從而滿足年代地層單位基本概念上要求的時(shí)間流逝的理論[44]。金釘子可以用來確定和識別全球兩個(gè)年代地層之間界線的精確位置。

圖5 分別用界線層型和單位層型定義的年代地層框架示意圖[44]Fig.5 Chronostratigraphic framework defined by boundary-and unit-stratotype respectively[44]

在地層劃分和對比過程中，事件地層學(xué)也取得了重要成果。新的年代地層劃分原則不再要求同一地層年代的均分(如每個(gè)紀(jì)的持續(xù)時(shí)間可以有較大差別)，而是讓年代地層邊界盡量靠近某一全球性事件[49-50]，將災(zāi)變事件的影響運(yùn)用到地層對比當(dāng)中，這種“自然主義年表[50]”代表著未來國際年代地層學(xué)尤其是前寒武紀(jì)年代地層學(xué)的方向。王鴻禎院士[51]早在1986年就提到過，選取分系的年齡值界限時(shí)，只能根據(jù)地質(zhì)事件集中時(shí)期的年齡值，實(shí)際上地質(zhì)時(shí)代和年代地層單位都不可能脫離層型而單獨(dú)存在。地層學(xué)各分支學(xué)科的標(biāo)準(zhǔn)雖然不同，界線不大一致，但絕不是相互脫離而是相互促進(jìn)。國際年代地層表就是地層學(xué)各分支學(xué)科交融發(fā)展的結(jié)果，最后體現(xiàn)為全球地質(zhì)時(shí)間坐標(biāo)的建立。

盡管年代地層表的建立讓各國地質(zhì)學(xué)家能夠在相同的時(shí)間界面上探討具有全球意義的地質(zhì)和生物事件，但我們應(yīng)該注意到，具體應(yīng)用過程中若只以概念性時(shí)間面作為地層界面，進(jìn)行地層劃分對比和恢復(fù)其時(shí)空秩序時(shí)會有很多不便之處和較大局限性，這是時(shí)間固有的抽象性所決定的。在這種情況下層序地層學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。層序地層學(xué)被譽(yù)為地質(zhì)學(xué)中最新的一次革命[20]，其理論不僅讓地質(zhì)學(xué)家對基礎(chǔ)地質(zhì)的研究重新進(jìn)行了認(rèn)識，更是廣泛應(yīng)用到石油地質(zhì)勘探和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中，表現(xiàn)出明顯的實(shí)用性。但作為當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的地層學(xué)分支，層序地層學(xué)的方法和術(shù)語還存在明顯的混亂和各種各樣的誤解[20-21]。

目前關(guān)于層序引用最多的概念是Vailetal.[22]所定義的“不整合面及其可對比的整合面所限定的沉積層序”，但對究竟什么是可以對比的整合面出現(xiàn)了不同理解及爭論，造成了層序地層學(xué)發(fā)展歷程中的三次誤判。梅冥相[20]將其簡要?dú)w納為：1)1977年的錯(cuò)誤對比；2)1988年的錯(cuò)誤假設(shè)；3)1999年的冗余修正。由于早期地震資料的垂直分辨率較低，Vailetal.[22]將陸上不整合面與下超面(即最大海泛面)相連在一起，導(dǎo)致1977年的錯(cuò)誤對比。隨著地震資料的分辨率提高，發(fā)現(xiàn)兩者并不會相連在一起，而只是在盆地邊緣交錯(cuò)[15,24],Jervey[28]對這個(gè)錯(cuò)誤予以修正，但同時(shí)又將層序界面錯(cuò)誤假設(shè)成了一個(gè)概念性的等時(shí)面，認(rèn)為“可對比的整合面”是海底基準(zhǔn)面下降的剛開始 (即下降拐點(diǎn)) 所對應(yīng)的時(shí)間面，這個(gè)面可以在深水沉積中予以追蹤(如深水濁積巖沉積的底面)，形成I型層序界面。也就是說，這個(gè)復(fù)合的層序界面在盆地側(cè)翼為一個(gè)陸上不整合面，這個(gè)不整合面會繼續(xù)延伸到水下最終到濁積巖沉積的底面[20-23,28]。因?yàn)殛懮喜徽鲜窃诨鶞?zhǔn)面下降結(jié)束期才達(dá)到最大程度，終止于盆地方向，而Vailetal.[22-23]所解釋的延伸到水下的陸上不整合面發(fā)育在靠近基準(zhǔn)面下降的開始，所以理論上這個(gè)層序界面是不可能的。對II型層序而言，陸上不整合面又作為盆地淺水部分的層序界面，形成于基準(zhǔn)面上升開始的時(shí)間。因而兩種層序類型的邊界形成于基準(zhǔn)面變化的不同階段，是不協(xié)調(diào)的[20-24]?；贘ervey[28,52]的前期工作，Posamentieretal.[53]建議I型層序的“可對比的整合面”使用基準(zhǔn)面下降開始的時(shí)間面，理由是這個(gè)時(shí)間面向陸地方向可以與陸上不整合面對比，而朝盆地方向的終止也可以得到較好的聯(lián)結(jié)和對比。問題是，將層序界面置于海平面變化的最高點(diǎn)，反而加劇了經(jīng)典層序地層模式概念體系的不協(xié)調(diào)；而且將形成于淺水域陸上的不整合面作為層序界面的話，盆地大部分不整合將位于層序的內(nèi)部而不是界面之上[20-21,54-55]。

圖6 與基準(zhǔn)面旋回事件相關(guān)的關(guān)鍵層序地層界面和兩種可采用的層序地層模式[20]Fig.6 The key surfaces of sequence stratigraphy related to the events of the base-level cycle and two types of adoptable modes in sequence stratigraphy[20]

針對這些問題，1992年Huntetal.[54]對經(jīng)典層序地層理論(Exxon層序地層)進(jìn)行了修正。一是將I型層序和II型層序體系域的術(shù)語統(tǒng)一定義，并給出了新的解釋和限定范圍：海平面變化的最低點(diǎn)和海侵面之間的范圍定義為低位體系域(LST)，即I型層序的LST等同于II型層序SMST；最大海泛面和海平面變化的最高點(diǎn)之間為高位體系域(HST)，海侵體系域(TST)的概念不變。二是新增了強(qiáng)迫型海退體系域(FRST)，這樣，一個(gè)層序完整的構(gòu)成為LST+TST+HST+FRST(圖6)。Helland-Hansenetal.[55-56]認(rèn)為這4個(gè)體系域構(gòu)成層序模式是層序形成的4個(gè)過程，是客觀存在的，不依賴于任何層序地層模式[55-57]。在沉積物供應(yīng)充分的條件下，海退過程中形成的體系域(LST、HST和FRST)很難進(jìn)一步區(qū)分，只可以識別出海侵體系域(TST)和海退體系域(RST)，于是Embryetal.[58-59]在這個(gè)四分模式的基礎(chǔ)上又建立了層序地層的海進(jìn)—海退二分模型(T-R模式，圖6)。由于沉積作用的多種多樣和沉積過程的復(fù)雜多變，學(xué)者們提出了多種層序地層模式，這些模式都是對基準(zhǔn)面變化下不同沉積作用和響應(yīng)機(jī)制的解釋和分析，是對層序內(nèi)部體系域的合理。但一個(gè)共同的方向是，用基準(zhǔn)面變化周期替代海平面變化，并將層序的形成過程劃分為海進(jìn)、高位正常海退、強(qiáng)制海退和低位正常海退四個(gè)階段，從而促進(jìn)了層序地層的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程[20-22,55-57]。

早期在運(yùn)用層序地層學(xué)恢復(fù)和分析地層記錄時(shí)空秩序的過程中，往往將其當(dāng)作等時(shí)格架，導(dǎo)致將層序地層學(xué)等同于年代地層學(xué)，最終造成了層序地層學(xué)中與界面識別和單位定義有關(guān)的一系列問題，所以迄今為止層序地層學(xué)還沒被正式作為具體的地層學(xué)分支納入《國際地層指南》[20-21]。而層序地層的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程有助于結(jié)束其在研究方法和術(shù)語體系上的混亂，消除各種各種各樣的誤解，層序界面也擺脫了作為概念性時(shí)間面的影響。正如上文及在關(guān)于不整合的討論中提到的那樣，層序界面具有廣泛的穿時(shí)性，但并不是說沉積層序不具備任何時(shí)間含義。相反，在實(shí)際應(yīng)用中，每一個(gè)體系域和沉積層序都可以當(dāng)作由穿時(shí)界面所限定的相對的近似等時(shí)的沉積體，更準(zhǔn)確地說是雖然不具備等時(shí)性但具備時(shí)間秩序性的沉積體(圖2)。層序地層學(xué)建立的這種穿時(shí)—等時(shí)的辨證的時(shí)空秩序極大地拓展了我們對地層記錄的時(shí)空有序性的認(rèn)識，并將對地質(zhì)時(shí)間屬性的分析延伸到沉積學(xué)領(lǐng)域。

此外，放射性同位素定年技術(shù)讓地質(zhì)時(shí)間坐標(biāo)有了“絕對”的數(shù)字年齡，并將地質(zhì)學(xué)的時(shí)間坐標(biāo)單位精確到百萬年。但古老地層年代的確定仍然存在較大的問題，地質(zhì)時(shí)代越老，地層的放射性同位素定年誤差就越大，生物成種速率變慢[47]，加上顯生宙之前的化石記錄極為缺乏，要劃分出更為精細(xì)的地層需要新的思路。前文已經(jīng)提到，天文節(jié)律影響著地層旋回。因此，從數(shù)量級上查明替代指標(biāo)變化周期或頻率與米蘭柯維奇旋回周期或頻率的一致性，就能用替代指標(biāo)變化周期或頻率確定地層的近似年限。而且，只需要選定特定的坐標(biāo)單位譜(如歲差、斜度、偏心率周期等)，建立與人類社會接軌的地質(zhì)學(xué)時(shí)間坐標(biāo)也成為可能[15,31]，從而滿足我們對年代地層精確性、嚴(yán)謹(jǐn)性的不懈追求。

以位于湖南省桃源縣瓦兒崗剖面的沈家灣組為例，該剖面是寒武系芙蓉統(tǒng)第十階金釘子的備選剖面[44,60]，為中—深緩坡沉積環(huán)境[61-64]，主要發(fā)育薄層泥質(zhì)灰?guī)r，層紋石灰?guī)r、均一石和結(jié)核狀灰?guī)r。因?yàn)槌练e于中—深緩坡的灰?guī)r水體越深泥質(zhì)含量往往越高，所以憑借泥質(zhì)含量的高低可以判斷出水體深淺的相對變化。本組層紋石灰?guī)r和均一石主要發(fā)育在每個(gè)沉積旋回的中上部，層紋石發(fā)育環(huán)境總體以潮下中部透光帶環(huán)境為主，而均一石發(fā)育環(huán)境的水體要更淺一些。由頭發(fā)絲般粗細(xì)的、延伸極遠(yuǎn)的紋層組成的層紋石(圖7a,b)與不顯顏色、結(jié)構(gòu)變化的均一石(圖7c,d)一起構(gòu)成旋回。碳酸鹽巖中這種極其細(xì)微的紋層不可能是水流作用的產(chǎn)物，加之碳酸鹽巖本身更多的生物成因，兩者很可能都是微生物膜或微生物席作用的產(chǎn)物[65-68]，這也與其總是出現(xiàn)在水下透光帶環(huán)境是一致的。微生物膜/席在夏季繁盛而在冬季活動性減弱，作用形成的一個(gè)紋層對周期為一年[65-69]，每10～16個(gè)層紋對又構(gòu)成1個(gè)小的旋回(圖7a)，于是這些小旋回的形成年限推測也就十幾年。水體變淺的時(shí)候微生物膜的成層性被破壞，開始形成均一石[66-69]。隨著海平面的震蕩變化，層紋石與均一石就共同組成的一個(gè)大旋回(圖7e)。層紋石小旋回一般在3到6個(gè)之間，所以推測每個(gè)大旋回形成年限不會超過一百年。雖然這些都屬于推測性質(zhì)，但是對于缺乏化石和沒有定年的地層段，可以作為地質(zhì)計(jì)年的重要依據(jù)[70]。

這種推測的合理性需要更多時(shí)間和證據(jù)的檢驗(yàn)，但無疑為我們思考地質(zhì)現(xiàn)象和認(rèn)識地質(zhì)規(guī)律提供了新線索和新思路。由于天文節(jié)律對地球的影響在整個(gè)地史時(shí)期應(yīng)該均有記錄，而且具有全球統(tǒng)一性，因而運(yùn)用旋回地層學(xué)分析化石記錄稀少的顯生宙之前的地層具有廣泛前景。史曉穎(會議口頭報(bào)告，2016)在研究華南新元古代五強(qiáng)溪組層紋石時(shí)發(fā)現(xiàn)，每10～12個(gè)紋層構(gòu)成一個(gè)小旋回組，而每2個(gè)小旋回組又構(gòu)成一個(gè)大旋回，這兩種分別代表11年和22年的周期性旋回與太陽黑子活動的Schwabe和Hale周期正好對應(yīng)，是地層記錄時(shí)空有序性的具體寫照。但不同地質(zhì)歷史時(shí)期地球軌道的系列參數(shù)并不相同，太陽黑子的活動周期也極為復(fù)雜，因而地層的旋回性不可能是簡單的重復(fù)，更何況有地層記錄的地質(zhì)歷史只是地球漫長歲月中的一頁。就像桑德爾法則所言，地層記錄的時(shí)間旋回性體現(xiàn)在空間旋回性中，但時(shí)間的旋回性一直都在而地層記錄的旋回性卻常常缺乏。

3 認(rèn)識地層記錄時(shí)空有序性的新挑戰(zhàn)

地層學(xué)誕生以來的研究，基本上都是在史密斯地層三定律的框架下進(jìn)行。對史密斯地層時(shí)空有序性的研究形成了一整套規(guī)范而系統(tǒng)的方法，促進(jìn)了地層學(xué)各分支學(xué)科的蓬勃發(fā)展。但隨著造山帶地質(zhì)研究的深入，沿襲了幾百年的史密斯地層原則(層序疊加律、原始連續(xù)律、原始水平律、化石層序律及瓦爾特相律)，對經(jīng)歷了強(qiáng)烈變形和變質(zhì)作用的地層和混雜造山帶的無序沉積—非沉積地層已不再適用[71-72]，非史密斯地層學(xué)方法應(yīng)用而生。

目前非史密斯地層學(xué)尚不成熟，在命名、規(guī)范、研究方法等方面存在不少分歧，也取得了不少進(jìn)展[73]。非史密斯地層學(xué)(NSS)最早的概念是馮慶來[74]于1993年提出：“非史密斯地層類型是指構(gòu)造作用強(qiáng)烈，原始地層層序無法恢復(fù)的地層?！眹鈩t是Isozakietal.[75]在1990年最早命名的洋板塊地層學(xué)(OPS)：“OPS泛指發(fā)育在造山帶中的，于洋盆(包括邊緣海盆)形成與閉合過程中形成的地層，即指海洋板塊從它最初在洋中脊形成，一直到海溝發(fā)生俯沖作用而形成的增生雜巖”。這兩者內(nèi)涵基本相近但側(cè)重略有不同(圖8)，前者強(qiáng)調(diào)屬性而后者強(qiáng)調(diào)發(fā)育位置。再者，OPS的含義要比NSS稍微寬泛[77]，因?yàn)镺PS不僅包括在造山帶中的無序地層，還包含洋盆發(fā)育中被保存下來的有序地層。盡管造山帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，不同造山帶的形成機(jī)制和演化歷程更是千差萬別，但OPS和NSS的提出，大大增加了我們對洋殼的認(rèn)識和拓寬了對洋殼的識別標(biāo)準(zhǔn)[72,75]。Kuskyetal.[76]建立了地殼從大洋中脊開始到最終卷入增生楔的過程形成的OPS地層序列(圖8b)，并認(rèn)為OPS地層序列記錄了洋底從其形成到消亡過程中的地質(zhì)演化歷史，從而得以從洋盆沉積物中去識別洋殼。問題依然存在，洋板塊俯沖消亡過程中會發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造搬運(yùn)和構(gòu)造混雜[75-77]，存在于造山帶演化歷程中的地質(zhì)記錄的有序性也隨之消亡，分析獲得地層的原生時(shí)空結(jié)構(gòu)依然困難重重。

圖7 對寒武系芙蓉統(tǒng)沈家灣組層紋石—均一石旋回形成時(shí)長的一個(gè)可能性解釋a，b.為層紋石，由灰白色紋層(亮紋層，白色箭頭)和暗灰色紋層(暗紋層，黑色箭頭)交互構(gòu)成的紋層對所組成，紋層對稀疏的地方亮紋層厚，紋層對密集的地方亮紋層薄，其中a為野外照片，b為單偏光顯微照片； c，d.為均一石(黑色箭頭)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為均一，成分和顏色不顯變化，其中c為野外照片，d為單偏光顯微照片；e.由層紋石(白色箭頭)和均一石(黑色箭頭)組成的高頻旋回；以上照片均來自湖南省桃源縣瓦兒崗剖面Fig.7 A possible explanation for the formation of laminites-leiolite cycles in Shenjiawan Formationa,b. The laminites are composed by white (white arrows) and black (black arrows) layer-sets. The white layers are relatively thicker in the places with sparse layer-sets and thinner where layer-sets are dense. Note a is field photo and b is microphotograph under single polarized light. c,d. The leiolite is marked by black arrows and without any significant changes in composition and colours. Note c is a field photo and d is microphotograph under single polarized light. e. A high frequency cycle consisting of laminites and leiolites. All these samples are from Wa Ergang section, Taoyuan county, Hunan Province and in Shenjiawan Formation, Furongian Series, Cambrian

圖8 非史密斯地層(a)[72]和洋板塊地層(b)[76]OPS地層序列：(1)大洋中脊玄武巖；(2)大洋中脊玄武巖—遠(yuǎn)洋沉積(硅質(zhì)巖)；(3)大洋中脊玄武巖—洋島玄武巖—洋島碳酸鹽巖；(4)大洋中脊玄武巖—遠(yuǎn)洋沉積(硅質(zhì)巖)—半遠(yuǎn)洋沉積(泥巖)；(5)大洋中脊玄武巖—遠(yuǎn)洋沉積(硅質(zhì)巖)—半遠(yuǎn)洋沉積(泥巖)—濁積巖(砂礫巖)—混雜巖Fig.8 Non-Smith Strata (a)[72] and OPS (b)[76]OPS (Ocean Plate Stratigraphy) sequence: (1) MORB (mid-oceanic ridge Basalt); (2) MORB and pelagic sequence; (3) MORB, OIB (ocean island basalt) and OIC (ocean island carbonate); (4) MORB, pelagic sequence and hemipelagic sequence; (5) MORB, hemipelagic sequence, turbidite sequence and olistostromes

與穩(wěn)定的陸塊區(qū)相比，中國的造山帶區(qū)分布面積比陸塊大，且演化歷史漫長而復(fù)雜，礦產(chǎn)資源豐富，災(zāi)害與環(huán)境地質(zhì)問題突出[77]。在造山帶區(qū)識別出不同構(gòu)造環(huán)境下的地層類型，如洋脊、大洋盆地、剝離地塊、弧后盆地等等地層系統(tǒng)，分析其變形、變位和變質(zhì)標(biāo)志，進(jìn)而獲得區(qū)域地層的原生時(shí)空結(jié)構(gòu)并建立造山帶的地層格架與序列是我國地質(zhì)研究的重中之重。因此，對非史密斯地層時(shí)空有序性的研究或者說恢復(fù)非史密斯地層的時(shí)空有序性是地層學(xué)研究深入的必然要求，是地層學(xué)所面臨的新的挑戰(zhàn)。

4 討論

地層學(xué)的發(fā)展歷程就是對地層記錄時(shí)空有序性認(rèn)識不斷深化的過程。為了建立地層之間的時(shí)間關(guān)系，19世紀(jì)初期就形成了一些地層的基本概念，這些概念建立在地層是“毛毛雨式”或“落雪式”一層一層垂向沉積的印象上，所以簡單的認(rèn)為地層的時(shí)空結(jié)構(gòu)就是老者在下，新者在上。后來在用化石建立統(tǒng)一的生物地層系統(tǒng)過程中，發(fā)現(xiàn)同一時(shí)期的地層經(jīng)常具有不同的巖性，提出了巖相橫變的概念。對其形成機(jī)理的研究過程中，另外一種沉積方式——側(cè)向加積開始被認(rèn)識，并初步有了海進(jìn)—海退的概念。這時(shí)候進(jìn)一步認(rèn)識到空間上的毗鄰關(guān)系可以轉(zhuǎn)化為時(shí)間上的相隨歷史。早期的年代地層學(xué)與生物地層學(xué)密不可分，導(dǎo)致一些地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為“階”就是生物地層單位，并懷疑另立時(shí)間地層單位的必要性。放射性同位素測年和事件地層學(xué)的出現(xiàn)，以及用界線層型(剖面)取代單位層型(剖面)進(jìn)行階的劃分，讓年代地層學(xué)概念上更為精確和實(shí)際中更具操作性，最終建立國際年代地層表使各國地質(zhì)學(xué)家得以在相同的時(shí)間界面上探討具有全球意義的地質(zhì)和生物事件。這是對地層記錄時(shí)空有序性認(rèn)識的里程碑：盡管在地層記錄中，生物變化、物理變化、化學(xué)變化并不是嚴(yán)格統(tǒng)一到時(shí)間變化中，但是它在時(shí)間和空間中的分布是有序和有規(guī)律的。

與此同時(shí)，對地層記錄的間斷面——不整合面的認(rèn)識也在不斷深化之中。早期把海平面變化等同于構(gòu)造抬升或沉降，并認(rèn)為構(gòu)造是形成不整合的唯一原因。即當(dāng)構(gòu)造隆升時(shí)(海退時(shí))，大陸表面暴露而遭受剝蝕，形成不整合。直到層序地層學(xué)概念體系的建立，和有關(guān) “不整合面及其可對比的整合面所限定的沉積層序”的爭議導(dǎo)致的 “水下不整合面”的提出，地質(zhì)學(xué)家才發(fā)現(xiàn)地層記錄的穿時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比之前所認(rèn)識的更為普遍，不整合實(shí)際上就是長期的穿時(shí)面。在這一過程中交叉出現(xiàn)的旋回地層學(xué)，同層序地層學(xué)一起，給予我們建立與人類社會接軌的時(shí)間單位譜和地質(zhì)學(xué)時(shí)間坐標(biāo)的可能性，例如用季節(jié)紋層、年紋層及其沉積旋回可以將地層的形成年限估算到一年或十幾年，而不是地質(zhì)年代表那樣動輒上百萬年。但層序地層學(xué)關(guān)于地層記錄時(shí)空關(guān)系的揭示需要我們進(jìn)一步去理解。它所有被解釋出來的沉積體的邊界均是穿時(shí)的，但沉積體內(nèi)部的地層又具有一定的近似等時(shí)的概念。換句話講，它試圖用穿時(shí)界面來限制出某一時(shí)期的相對等時(shí)的沉積體，更準(zhǔn)確地說是雖然不具備等時(shí)性但具備時(shí)間秩序性的沉積體。如何理解這一概念，它究竟蘊(yùn)含了怎樣一種時(shí)空秩序，這需要我們進(jìn)一步研究。此外，造山帶混雜堆積的非史密斯屬性，幾乎打亂了地層記錄的所有時(shí)空結(jié)構(gòu)，它將地層的所有時(shí)間記錄糅合到卷入增生楔的那一段時(shí)間中，如何在這種雜亂無章中抽離出規(guī)律性，建立它的時(shí)空有序性是我們要面臨的又一挑戰(zhàn)。

地層就像一部萬卷巨著，記錄和保存了地球形成以來46億年的發(fā)展和演化歷史，也蘊(yùn)藏了豐富的礦產(chǎn)及油氣資源。而地層學(xué)則是解讀這部巨著的密碼和文字，用以研究地球歷史過程中形成的巖層、界面(間斷面)和相互關(guān)系，它是一切地質(zhì)工作的基礎(chǔ)。因而，從復(fù)雜的地層記錄中發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)其有序的時(shí)空關(guān)系，對地層學(xué)乃至地質(zhì)學(xué)都有重要的意義，希望本文對地層記錄時(shí)空有序性的解讀和將地層學(xué)各分支學(xué)科作為整體的思考能起到拋磚引玉的作用。

5 結(jié)論

(1) 地層記錄具有廣泛的不完備性和穿時(shí)性，這為確定地層記錄的時(shí)空有序性提供了框架和邊界。無論是侵蝕作用、非沉積作用，還是沉積作用(天然表現(xiàn)為側(cè)向加積和垂向加積的疊加)，都能造成地層的缺失與穿時(shí)，不整合面就是這種長期穿時(shí)性的具體表現(xiàn)。如果說陸上不整合面作為一個(gè)剝蝕作用或風(fēng)化作用面，本身就明顯表現(xiàn)出穿時(shí)性的話，那么由沉積物非補(bǔ)償產(chǎn)生的饑餓性作用乃至非沉積作用形成的水下不整合面則更為隱秘。在層序地層學(xué)發(fā)展過程中，雖然當(dāng)時(shí)并未提到“水下不整合面”的問題，但自覺或不自覺地運(yùn)用這兩個(gè)不整合面建立了兩種層序地層學(xué)模式，即以陸上不整合面及可對比的整合面作為邊界的Vail學(xué)派的I型和II型層序地層模式，以及以水下不整合面(最大海泛面)及可對比的整合面作為層序邊界的Galloway學(xué)派的成因?qū)有虻貙幽Ｊ健?/p>

(2) 地層記錄時(shí)空有序性的另外一個(gè)重要表現(xiàn)是地層幕式(周期性)的堆積過程。第四紀(jì)米蘭科維奇旋回的證實(shí)和天文節(jié)律的提出讓沉積旋回的成因與地球軌道效應(yīng)旋回相聯(lián)系，也讓層序地層學(xué)逐漸擺脫了“構(gòu)造海平面變化”的概念，而將控制層序形成的海平面變化機(jī)制歸因于天文旋回。這種推測的合理性需要更多時(shí)間和證據(jù)的檢驗(yàn)，但無疑給我們思考地質(zhì)現(xiàn)象、認(rèn)識地質(zhì)規(guī)律的另一種思路，也給予我們建立與人類社會相接軌的時(shí)間單位譜和地質(zhì)學(xué)時(shí)間坐標(biāo)的可能性。

(3) 地層記錄不僅僅是周期性、旋回性量變的過程，還有質(zhì)變的存在，“雪球地球”等極端氣候和生物大規(guī)?！凹簻缃^”就是兩個(gè)典型實(shí)例?，F(xiàn)今地球的大氣圈構(gòu)成、生命形式、氣候條件、海水鹽度等與地質(zhì)歷史時(shí)期相比都差別巨大，因而在“將今論古”的同時(shí)，必須注意到“現(xiàn)在不一定是過去的鑰匙”。地層記錄的這種非漸變的和不可逆的特征給地質(zhì)歷史分析帶來了很大困難，但與此同時(shí)，正是一個(gè)個(gè)被記錄和保存在地層中的“地質(zhì)事件”，使標(biāo)定和恢復(fù)地層記錄的時(shí)空秩序成為可能。

(4) 盡管在地層記錄中，巖性變化、生物變化、物理變化和化學(xué)變化并不是嚴(yán)格地統(tǒng)一到時(shí)間變化中，但是它們在時(shí)間和空間中的分布是有序和有規(guī)律的，是雖然不具備等時(shí)性但具備時(shí)間秩序性的沉積體。如何依據(jù)上述地層記錄的不完備性、穿時(shí)性、旋回性、漸變性和不可逆性，揭示地層記錄的時(shí)空有序性成為地層學(xué)所有分支學(xué)科共同面臨的主題，而地層學(xué)的發(fā)展歷程也就是對地層記錄時(shí)空有序性認(rèn)識不斷深化的過程。