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。“海納百川，有容乃大”，這句話在地質(zhì)領(lǐng)域中尤其適用，對(duì)每一個(gè)從事地質(zhì)研究的人來(lái)說(shuō)，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(lái)自中國(guó)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(chǎng)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(jìn)地質(zhì)學(xué)家的天堂——宜昌三峽。此次實(shí)習(xí)是在國(guó)家自然科學(xué)基金委特殊學(xué)科點(diǎn)基金和現(xiàn)代古生物學(xué)和地層學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持下，旨在通過(guò)對(duì)我國(guó)前寒武紀(jì)至中生代一系列經(jīng)典野外剖面進(jìn)行系統(tǒng)考察，并通過(guò)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(shí)踐能力，逐步培養(yǎng)對(duì)地質(zhì)工作的熱情以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。在前4天的考察過(guò)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(shí)間里，大家分組在帶隊(duì)老師的指導(dǎo)下對(duì)各自的研究剖面進(jìn)行了實(shí)測(cè)采樣和深入研究，完成專(zhuān)題任務(wù)。考察中我們不僅領(lǐng)略了三峽風(fēng)光的新奇秀美，更欣賞到億萬(wàn)年來(lái)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(dá)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(rùn)，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(huà)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(guó)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(wàn)年前的新生界的各個(gè)地質(zhì)時(shí)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(yáng)盆地，西邊為秭歸盆地，南邊為長(zhǎng)陽(yáng)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(tái)緣褶皺帶。從地質(zhì)力學(xué)角度看，為新華夏系一級(jí)構(gòu)造第三隆起帶南段與淮陽(yáng)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(zhǎng)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(shuō)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(guó)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(shí)，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(jiǎn)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(jiàn)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(gè)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(shí)冰河可能一直延伸到如今的熱帶地區(qū)。冰河期的一個(gè)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(dòng)侵蝕地面，并沿途帶走大量的巖石，因此在冰川移動(dòng)之處都會(huì)留下沖刷的痕跡。冰川作用的另一個(gè)顯著遺跡是它往往會(huì)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(dòng)被帶入海里，最終滾落進(jìn)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(gè)“雪球”。也就是說(shuō)，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(huì)是一個(gè)藍(lán)色的球，而是一幅黑白圖景，沒(méi)有我們今天熟悉的藍(lán)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(lái)只是懸浮在太空中的一顆毫無(wú)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(shí)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(shí)才有云霧產(chǎn)生。除了冰川開(kāi)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(lán)色星球，何以在億萬(wàn)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(yáng)輻射所達(dá)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)﹃?yáng)光的反照率。如果地球溫度冷到冰蓋足以覆蓋半個(gè)地球表面，冰川到達(dá)南北緯度30°的地方。地球就像一個(gè)晶瑩閃耀的雪球，將大量陽(yáng)光反射回太空，而地球自然變得越來(lái)越冷，并很快達(dá)到全球冰封的程度。這樣，只需要幾年甚至更短時(shí)間，地球就會(huì)變成一個(gè)幾乎完全被冰雪覆蓋的星球。

面對(duì)滄海桑田的變遷，人類(lèi)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(huà)卷，無(wú)時(shí)不刻的改變著地球的容顏。誰(shuí)能知道，明天的地球?qū)?huì)是怎樣的呢？

地球年輪——熠熠生輝的金釘子

初次聽(tīng)說(shuō)“金釘子”，想當(dāng)然認(rèn)為是一枚黃金做的釘子。后來(lái)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(guó)首條橫穿美洲大陸鐵路竣工時(shí)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(diǎn)位”的俗稱，學(xué)名為Global Stratotype Section and Point（簡(jiǎn)稱GSSP），也就是說(shuō)“金釘子”是標(biāo)志地質(zhì)年代分界線的代表地點(diǎn)。地球已有46億年歷史，時(shí)間長(zhǎng)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(lái)確定其底界。而每一枚“金釘子”的獲得，既表明一個(gè)國(guó)家地層古生物學(xué)研究躋入國(guó)際先進(jìn)水平，又是一個(gè)國(guó)家的崇高榮譽(yù)。

截至目前，我國(guó)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(diǎn)位、黃花場(chǎng)中奧陶統(tǒng)底界暨大坪階底界界線層型剖面和點(diǎn)位。2枚“金釘子”相距不到20公里，在世界上十分罕見(jiàn)。10月30日，對(duì)我們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)好日子。在短短幾個(gè)小時(shí)的時(shí)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(chǎng)“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(yùn)氣，一整天都陰沉沉的，淅淅瀝瀝的雨滴滴答答下個(gè)不停，蓄著絲絲寒意，氤氳了整個(gè)世界，但無(wú)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(chǎng)“金釘子”，它是世界第66枚、中國(guó)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(chǎng)，半山坡間，有一塊水泥制作的小小碑牌豎立著，一個(gè)敞開(kāi)的手提電腦那么大，上有黑色的GSSP字樣?！澳蔷褪墙疳斪拥木_位置”，李越研究員說(shuō)：雖然看起來(lái)不起眼，它卻是經(jīng)過(guò)世界級(jí)的巔峰對(duì)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(tuán)隊(duì)30年的積累和6年的拼搏。當(dāng)時(shí)，中國(guó)的“黃花場(chǎng)剖面”與美國(guó)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(jìn)行馬拉松式的競(jìng)爭(zhēng)，經(jīng)過(guò)世界各國(guó)評(píng)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(chǎng)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(shí)很小，肉眼是看不到的，可以想象汪嘯風(fēng)教授和他的團(tuán)隊(duì)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(lái)到世人矚目的“金釘子”紀(jì)念碑前，紀(jì)念碑高大堅(jiān)實(shí)，令人心生敬畏，紀(jì)念碑下是黃花場(chǎng)剖面指示碑，這一切，即組成全球中/下奧陶統(tǒng)劃分和對(duì)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(chǎng)“金釘子”說(shuō)明碑

三角波羅的海牙形蟲(chóng)

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(yáng)揚(yáng)。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(yuǎn)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(jué)中，樊雋軒研究員帶領(lǐng)我們開(kāi)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(diǎn)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(guó)際地科聯(lián)正式批準(zhǔn)確立中國(guó)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(tuán)提供了一個(gè)基礎(chǔ)。

億萬(wàn)年來(lái)地球的滄海桑田運(yùn)動(dòng)抹掉了生物大滅絕時(shí)的凄慘，然而再高明的“罪犯”也會(huì)留下蛛絲馬跡，這些細(xì)微的證據(jù)在這個(gè)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(tuán)隊(duì)，年復(fù)一年，拿著地質(zhì)錘、放大鏡和羅盤(pán)，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(dòng)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(dòng)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(lái)，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(lèi)動(dòng)物之中，它們?cè)诘谝荒粶缃^后出現(xiàn)，也就是說(shuō)這些腕足類(lèi)動(dòng)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(dòng)物群，它們滅絕的原因依然是水溫的變化，不過(guò)這次不是海水變涼了，而是海水變熱了。當(dāng)時(shí)的地球跟古生物開(kāi)了一個(gè)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(gè)大變化，又給生物界帶來(lái)了新災(zāi)難。但是這個(gè)災(zāi)難比較小，第二幕的規(guī)模相對(duì)小一些，因?yàn)樵诘谝荒粶缃^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(dú)有的魅力之后，10月31日下午，我們?cè)谕跤罈澭芯繂T和張海春研究員的帶領(lǐng)下，去見(jiàn)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(yùn)含的古CO2信息，一幕幕地球故事，映入腦海。每一個(gè)故事都很精彩，但是對(duì)我而言，記憶最為深刻的還是泄灘組砂巖中蘊(yùn)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(dòng)時(shí)將河床表面沉積物搬動(dòng)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(zhǎng)。這次比較幸運(yùn)可以看到長(zhǎng)約1公尺以上巨大的波痕，這種機(jī)會(huì)是極少的，因?yàn)榫薮蟮牟ê郾仨氂奢^強(qiáng)的水動(dòng)力能形成。此外，波痕遺跡有幸保存，還因?yàn)樗鼈兙哂械挚勾笞匀伙L(fēng)化剝蝕的神奇力量，在巖層中埋藏了上億年之久，在近萬(wàn)年的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中逐漸裸露出來(lái)。這些精美波痕的出現(xiàn)，不僅是一種視覺(jué)享受，還有著更多的科學(xué)價(jià)值：確定當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境，解讀遠(yuǎn)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(lái)看，兩側(cè)斜面呈不對(duì)稱形型，以此就可以知道是由單向水流作用所致，進(jìn)而可以確定一個(gè)水流的大方向。不對(duì)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(wàn)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(lèi)生物生命活動(dòng)時(shí)留下的痕跡和遺物，它所反映的是生物的生命活動(dòng)，行為習(xí)性和覓食營(yíng)養(yǎng)活動(dòng)的細(xì)節(jié)。撫摸著巖石上的波痕，仿佛遁入了那個(gè)未知的遠(yuǎn)古，涓涓細(xì)流又仿佛在耳邊響起，各種生物活動(dòng)映入眼簾。遺憾的是，波痕遺跡并不是一種可以長(zhǎng)久留存的，隨著歲月的推移，它們終有一天會(huì)走出我們的視線，但是今天的河流中會(huì)有更多的波痕留給未來(lái)。

短短幾天的野外現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，聽(tīng)聞的精彩的地球故事絕不僅僅這三四個(gè)，而書(shū)寫(xiě)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(lái)講述，因?yàn)榈厍虻墓适戮蜁?shū)寫(xiě)在巖石之中。雖然這本歷史之書(shū)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(jiàn)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(shí)踐的機(jī)會(huì)！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