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笔石:在岩石中书写生命故事

2018-7-6 8:48:31 作者:中 科

在四五亿年前的寒武纪,地球海洋中出现了一群笔石动物。它们的软体部分个头不大,却长出了长长的骨骼,形成了一根根笔石枝。笔石动物中有一部分固着于浅海海底,更多的则浮游于海面上,过着自由而漂泊的生活。

到了两三亿年前的石炭纪,笔石动物灭绝了,今天的人们无法再见到它们鲜活的身影,但它的化石却在穿越几亿年后成为了人类的好帮手。

笔石动物碳化印痕标本

笔石被作为判定地层年代的黄金卡尺,更在我国能源资源勘探中起着独特而重要的作用。

“笔在岩石中书写的痕迹”

看到笔石这个名字,也许有人会想,它们与笔有什么关系呢?实际上,笔石的命名确实与笔有关。

笔石是笔石动物的化石。笔石最早是由分类学家林奈于1735年创立的类化石属“Graptolithus”演变而来,意为“笔在岩石中书写的痕迹”。这样命名是因为最早发现的笔石化石都是平面的,如岩画一般,很像在石头上留下的笔迹。起初,由于古生物学家对笔石的结构认识不足,还常常误认为它们是植物化石、痕迹化石、头盘虫、珊瑚、水螅或者苔藓虫等。

“其实笔石动物本身是立体的,它们有着有机质的软体和硬体。由于笔石动物早已灭绝,其软体部分又已经在漫长的地质历史中分解殆尽,所以它的软体的具体成分我们现在不太清楚,硬体部分我们发现是胶原蛋白质。笔石动物死亡以后,就埋藏在沉积物里,后来就被压扁了,压扁后留下了痕迹。因为它是有机质的,无非就是碳、氢、氧、氮这些元素,所以有些部分就碳化了,结构分解了,有时候还会剩下一点碳留在上面,有时候连碳也被地下水或者渗透的水冲刷了,结果最后只能剩下一点点痕迹,我们把这个叫做印痕。”中科院南京地质古生物研究所研究员张元动说。

后来随着笔石发现数量的增加和研究的深入,古生物学家渐渐发现,其实除了碳质薄膜压扁保存,笔石还有其他两种常见的保存方式——黄铁矿化半立体保存和三维立体孤立保存。这两种保存方式能够将笔石的结构更为完整地保留下来,让古生物学家对笔石动物进行更准确的研究。

当前发现的笔石化石一般大小为几厘米,已知报道的最大笔石体长达1.45米。这些笔石通常保存于黑色页岩中,在砂岩、灰岩中偶有保存。人们对笔石的研究历史也很悠久,已逾300年,让笔石从最初的一科几属发展至现今的600余属。

在我国广泛分布

在我国,笔石动物群分布很广。“这是因为笔石动物从寒武纪就出现了,然后经历了奥陶纪、志留纪、泥盆纪,一直到石炭纪灭绝,在这个过程中的每一个时代都会有很多笔石动物群的记录。特别是奥陶纪和志留纪,数量尤为壮观,在我国华南地区至少有十几个笔石动物群。”张元动介绍说。

这些笔石动物群中的大部分,张元动都走过。上世纪80年代,张元动还在大学的地质矿产调查专业学习时,就在古生物学基础课上接触过笔石动物。从1987年读硕士研究生开始,他更是与笔石结下了不解之缘,毕业论文的主攻方向便是笔石研究,这个缘分一直持续到现在。如今他在奥陶纪和志留纪的笔石动物群方面有着深入研究。谈起自己曾走过的笔石动物群,张元动如数家珍。

“比如在陕甘宁边区,我们叫鄂尔多斯西南缘,这个地方在奥陶纪时是一个台地边缘,水比较深,所以保存了很多笔石化石。对这里的笔石动物群,我们做了很多研究,发表了一些成果。”张元动说,“还有贵州的中奥陶纪湄潭组笔石动物群,属种特别多,而且很有特点,我们也做了相关的研究。”

另一处让张元动印象深刻的笔石动物群在浙江。“浙江在奥陶纪时,海水比较深,海底都是缺氧的,所以大量的碳被保存下来,因此我们在当地看到的岩石都是黑色的,包括黑色页岩和一些硅质岩。这里就保存有非常多的笔石化石,我们称之为宁国组笔石动物群。而且,这里的笔石很多是立体保存的,它们的成分以黄铁矿为主。这样一个拥有大量黄铁矿化的、保存了精美结构的笔石动物群,在世界上都是非常罕见的。”

在云南,张元动等人也做了很多研究。“云南在奥陶纪时,是不属于华南板块的,而是与东南亚部分地区一起构成了滇缅马板块。在这个板块上,我们也发现了笔石动物群,称作施甸组笔石动物群。这样的笔石动物群,在我国只有这个地方能找到,你要想找其他类似的动物群,就要去缅甸、马来西亚了。所以这个笔石动物群也是非常珍贵的。”张元动说道。

判断地层年代的黄金卡尺

在古生物学家对笔石动物的研究中,一个很重要的研究方向就是笔石的演化过程。

从进化论的观点来看,每一个类群都会随着时间发展而产生新的物种,在每一个时间段中,也都会有独特的物种类型和组合。“所以我们要了解笔石动物的特征和物种组合方式,不同时期的笔石动物,类型是不一样的,结构也不一样。”张元动说。

经过研究,古生物学家发现,笔石动物的演化速度非常快。“这是非常少见的。”张元动说,“我们现在看到的有些细菌,几亿年来都没有什么变化,但笔石正相反,它演化速度特别快,尤其是在奥陶纪和志留纪,每隔几十万年就会产生一大批新种。”

也正因如此,笔石可以被当作判断地层年代的黄金卡尺。“用笔石来判定地层年代,尤其是在奥陶纪和志留纪,是非常精确的,其精确度远远高于同位素定年。”张元动介绍说,“如今同位素定年能够精确到20万~30万年,但笔石的精确度更高,目前国际上奥陶纪和志留纪的地层划分主要靠笔石。”

利用笔石,还可以判断当时的地质环境。“笔石动物有两种生活方式,一种是固着在海底的,也就是底栖。这种类型的笔石动物一般会生活在浅水环境里,因为它多少还是需要一些氧气的,水太深就无法生存。”张元动解释说,“第二种是在海水中浮游生活的,这部分笔石动物就可以生活在更加开阔的海水里面,也可以在深水环境中生存。”

借助笔石动物的这种生存特性,古生物学家就可以判断当地的古环境。“比如,在一个地方发现的笔石都是浮游的,没有底栖的,那么就可以推断它的古环境是深水的。”张元动说,“如今,这种鉴定可以做到非常精细,依据笔石动物的类型可以从海水表层到几百米深处,划分出五六个深度带,每个深度带中都有笔石动物的特定组合。”

笔石能在精确判断地层年代中发挥重要作用,而且方便快捷。在野外工作中,笔石工作者仅需通过一个10倍的放大镜,就可以进行快速现场鉴定,准确判断地层年代,框定地层框架,所以其在能源资源勘探上也可以一展身手。

笔石动物黄铁矿化标本

在我国的页岩气勘探中,笔石就发挥了重要的作用。过去几年中,我国页岩气勘探与开发获得了一系列重要突破。开采页岩气,不但需要高端的钻井技术,更需要精准的黑色页岩地层层位标定,其中生物地层标定是钻井现场最快速和精准的方法,可以直接指导打钻至精准的页岩气层位。

“我国最主要的页岩气资源正好处在含笔石的地层中。”张元动说,“这是我国页岩气资源非常有特色的地方,像美国很多页岩气资源更多的是在泥盆纪、石炭纪地层中,这些就不是笔石化石较多的地层了。在我国的涪陵页岩气示范区,页岩气所在的层位就是奥陶纪晚期到志留纪早期,这一段时期的黑色页岩里含有大量的笔石。”

可见,笔石研究这一看似非常基础的古生物门类研究,却在国家能源资源勘探中大显身手。△

网站编辑:宫莉

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