一顆“金釘子”，如何“釘”住地球記憶？

往巖石里釘進(jìn)去一顆“金釘子”，就可以對全球地層進(jìn)行劃分和對比，并確定地層的年代，這是不是聽起來有點匪夷所思？為何這枚“釘子”如此神奇？它是如何幫助記錄地球生命與歷史的？這要先從它的地質(zhì)學(xué)概念談起。

01什么是“金釘子”？

1869年5月，隨著一枚金質(zhì)道釘?shù)那孟拢B接美國東西海岸的太平洋鐵路徹底融會貫通。這枚在美國鐵路建設(shè)史上具有里程碑意義的“金釘子”，在100多年后被地質(zhì)學(xué)家用于指代一個極為重要的年代地層劃分標(biāo)準(zhǔn)——“全球界線層型剖面和點位”，它是劃分和定義全球年代地層的基本單位“階”及更高層單位的底界的國際標(biāo)準(zhǔn)。我們學(xué)過歷史，知道各個朝代之間的更替存在確切的時間，這些時間來自史書的記載。地球自46億年前誕生開始直到今天的歷史則由地球親自書寫，書寫在如同書頁一樣一層一層的地層中，每一層巖石就相當(dāng)于史書中的一頁，記錄了其形成時的環(huán)境信息和生物信息，從而可以用于還原地質(zhì)歷史。

但是，地球在不同環(huán)境和不同大陸所書寫的地層之書并不相同，往往記錄了局部地區(qū)和環(huán)境中的歷史，即使在同一塊大陸上所書寫的地層之書，也可能在上億年的板塊運動和海陸變遷等地質(zhì)作用中變得支離破碎。我們該如何確定一個標(biāo)準(zhǔn)，來對書中的每一章進(jìn)行劃分，根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)將世界各地的地層之書對應(yīng)在一起，同時確定每個章節(jié)的開始時間呢？這便是“金釘子”的作用。

02想要成功確立一顆“金釘子”，可不是件容易的事

“金釘子”可以確定一套年代地層單位開始的位置（通常是某種古生物化石的首現(xiàn)）及其開始的時間，而全球的地層都可以根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行比對。這樣在研究世界各地的地層時，我們就可以知道該套地層的年代，與其他地區(qū)地層之間的對應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)一步開展工作了。

要確立一顆“金釘子”，需要滿足以下幾個條件：

①露頭必須有足夠的沉積厚度。足夠的沉積厚度代表充足的時間間隔，并擁有良好的時間分辨率，更易于進(jìn)行地層劃分。

②連續(xù)沉積，無構(gòu)造擾動，無變質(zhì)作用。沉積間斷、構(gòu)造擾動會使得地層序列不連續(xù)。變質(zhì)作用會對后期的磁性地層學(xué)和化學(xué)地層學(xué)研究造成影響。

③具備豐富多樣、保存完好、具有全球代表性的化石類群，以便能識別連續(xù)的生物演化序列并進(jìn)行全球?qū)Ρ取ｋm然絕大部分“金釘子”主要根據(jù)一種古生物化石的首現(xiàn)層位來進(jìn)行確定，但如果同一剖面也存在豐富的其他門類的化石，則能極大增強(qiáng)該剖面的全球?qū)Ρ刃浴?/p>

④有利于遠(yuǎn)距離生物地層對比的巖相，且在界線處巖相變化不大。深水或者遠(yuǎn)洋環(huán)境中形成的沉積巖，更容易保存全球廣泛分布的生物化石。而變化的巖相代表環(huán)境變化或者沉積間斷，如果界線處標(biāo)準(zhǔn)化石的首現(xiàn)與巖相變化存在關(guān)聯(lián)，則有理由懷疑這個化石的出現(xiàn)可能與環(huán)境變化或者沉積間斷有關(guān)，這并不屬于生物學(xué)意義上的首現(xiàn)。

⑤交通便利，易于到達(dá)。這樣方便世界各地的科學(xué)家前去參觀和對比研究，確保“金釘子”的公開性和可驗證性。

03這樣的釘子，中國已有11顆

“金釘子”研究最核心的工作是古生物學(xué)和地層學(xué)研究。首先要對研究目標(biāo)時間段內(nèi)的生物和地質(zhì)特征進(jìn)行全球性的了解，并根據(jù)先前的研究狀況選定最有潛力的工作區(qū)域和剖面。之后針對該剖面的古生物學(xué)和生物地層學(xué)開展系統(tǒng)的研究，確定用于定義“金釘子”的標(biāo)準(zhǔn)化石，并對該化石的譜系演化關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)研究，確定其首現(xiàn)層位。

除了標(biāo)準(zhǔn)化石的古生物學(xué)和地層學(xué)工作以外，想要增強(qiáng)候選“金釘子”的競爭力，還要對該剖面上其他門類古生物的生物地層學(xué)、沉積巖石學(xué)、同位素地球化學(xué)、磁性地層學(xué)、同位素年齡測定以及該剖面的古環(huán)境背景等進(jìn)行研究，充分增加候選“金釘子”在全球?qū)Ρ确矫娴臐摿Α?/p>

目前，“國際年代地層表”中有100多顆“金釘子”，經(jīng)過全球科學(xué)家?guī)资甑奶剿鳎呀?jīng)有80多顆“金釘子”被國際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會正式批準(zhǔn)。我國目前已經(jīng)“奪得”11枚“金釘子”，位居世界第二，這意味著我國在地球科學(xué)研究領(lǐng)域，特別是地層學(xué)方面的綜合實力達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。而這體現(xiàn)了國家的強(qiáng)盛、良好的科研環(huán)境以及研究人員扎實的研究基礎(chǔ)和鍥而不舍的科研精神。此外，我國國際地位的逐漸提升，也對我國在“金釘子”的爭奪中起到了重要作用。

當(dāng)然，對一枚“金釘子”的研究并不是隨著它的確立而結(jié)束。“金釘子”在確立之后，還要對其進(jìn)行更詳細(xì)的全球?qū)Ρ龋ㄟ^多學(xué)科研究揭示“金釘子”所在時間發(fā)生的地球環(huán)境變化和生物演化事件，進(jìn)行十萬年級、萬年級甚至千年級別的更高精度的時間框架研究，指導(dǎo)油氣資源勘探等。

目前，大數(shù)據(jù)和人工智能在地球科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用，將“金釘子”研究融入目前我國科學(xué)家領(lǐng)銜發(fā)起的“深時數(shù)字地球”的國際大科學(xué)計劃中，建立基于大數(shù)據(jù)和人工智能模型的高精度、高分辨率的深時時間軸，對于解決上述問題有重要意義。

【知識拓展】除了金釘子，還有“銀釘子”？

其實，原本并無“銀釘子”，這是由“金釘子”所引申而來的說法，它的正式名稱是“全球輔助界線層型剖面和點位”。在地球某一特定歷史時期，全球不同地區(qū)所保存的地質(zhì)記錄的內(nèi)容各異，而且一般情況下，不存在完美無缺的地質(zhì)記錄，即使是那些被確定為地層“金釘子”的剖面和點位亦如此。因此，在確定“金釘子”時，會“選拔”一兩個剖面或點位來輔助“金釘子”，這便是被習(xí)慣地稱為“銀釘子”的“全球輔助界線層型剖面和點位”。

作者：牛長泰中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所博士

審核：馬志飛北京地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院高級工程師，中國科普作家協(xié)會會員，科普中國專家

策劃：翟國慶閻冬

出品：科普中國

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