疊層石：寫在大地上的史書

（本文發(fā)表于2025年第3期）

第一作者簡介徐燕，中國科普作家協(xié)會會員、中國自然資源作家協(xié)會會員、中國地質(zhì)作家協(xié)會會員，主要研究古生物學(xué)、巖石學(xué)等，擅長科普寫作，作品曾獲評生態(tài)環(huán)境優(yōu)秀科普作品，獲 2024 年地球科學(xué)科普作品大賽三等獎，等等。

你能想象根據(jù)一塊小小的石頭，就能推斷出一萬年前地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的速度與現(xiàn)在不同嗎?你能想象如果沒有它的出現(xiàn)，地球仍將是一片荒蕪嗎?你能想象它有種屬，卻不是生物嗎?

讓我們帶領(lǐng)你，走進疊層石的世界，去感受生命的神奇與永恒之美。

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地球生命演化的見證者

疊層石，是一種以藍細菌為主的微生物固定在基底上、在周期性繁殖的過程中，黏附和沉淀礦物質(zhì)顆粒，層層堆疊而形成的紋層狀沉積物。由于疊層石的形成與微生物的生命活動密切相關(guān)，所以疊層石也被稱為生物沉積構(gòu)造，屬于有紋層狀結(jié)構(gòu)的一種微生物巖，是地球上最古老的“準化石”。

疊層石對地球早期生命演化發(fā)展具有十分重要的作用，這不能不提到藍細菌。藍細菌，舊稱藍藻或藍綠藻，它是一種原核單細胞生物，能夠通過光合作用吸收二氧化碳轉(zhuǎn)換為能量，并釋放氧氣。氧氣使地球適宜孕育更多的高等生命，為生命史的下一章，也是更復(fù)雜的一章鋪平了道路。

地球誕生于約46億年前。在最初，地球的大氣層非常稀薄，空氣中幾乎沒有多少氧氣，而且還充滿著各種有害的氣體。光線昏暗，地球的旋轉(zhuǎn)速度非常快。

在距今約30億年前的淺海里，開始出現(xiàn)一種低等的藻類生物——藍細菌，它們不斷分泌物質(zhì)，捕獲水中的細小沙粒，并與其逐漸膠合在一起，如藤蔓般糾纏。因為周圍沒有強大的海浪或海流，這些藍細菌就世世代代在同一地方一層疊一層地向上生長，形成層疊生長的花紋，故名疊層石。

藍細菌依靠光合作用維持生命并不斷生長，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為能量并釋放氧氣。隨著藻類植物的繁殖和蔓延，吸引來更多的捕食者，這些生物連同藍細菌生產(chǎn)的有機物一起，“搭建”成各種形態(tài)的疊層石。大量的氧氣不斷破水而出，進入大氣中。此后，在藻類植物和其他低等植物的共同作用下，大氣中的氧含量才逐漸接近21%。可以說，藻類植物獨特的生長方式和代謝特性，為疊層石的形成提供了必要的條件，疊層石產(chǎn)生的氧又為此后的生物進化掃清了大氣無氧的障礙，地球逐漸演化成宜居的生命搖籃。

在約5.4億年前，地球開啟了寒武紀物種大爆發(fā)的新篇章，疊層石的豐富度和多樣性在不斷減少，三葉蟲、軟體動物、節(jié)肢動物等門類龐雜、數(shù)量繁多的生物在這一時期出現(xiàn)。此后，地球以多細胞動植物為主，地球慢慢變成了一個生機勃勃、萬物競發(fā)的星球。

02

不是生物卻有生物學(xué)名的奇特石頭

在漫長的地質(zhì)歷史中，疊層石的生長受到光照條件、水動力條件、氧化還原條件、鹽度、營養(yǎng)質(zhì)和溫度等各種非生物因素影響，形成了豐富多彩的形態(tài)。它們有時候看上去像巨大的花椰菜，有時候又像毛茸茸的地墊，有時候呈水平層狀、球狀、瘤狀或圓柱狀，有的長得像一堵墻，有的可以長出像樹枝一樣的分叉。最小的只有一個綠豆那么大，最大的則可以長到數(shù)米高。

> 擬錐疊層石

疊層石雖然不是生物，但是每一種疊層石都有一個符合生物雙名法的學(xué)名。1890年，美國地質(zhì)學(xué)家馬修首次使用生物學(xué)的雙名法，命名了一個北美地區(qū)元古宙的分叉疊層石。從此以后，疊層石變得像其他化石一樣，可以用來確定地質(zhì)年代，也可以用來推測古生態(tài)環(huán)境。

在地質(zhì)學(xué)界，疊層石被用來劃分、對比某一地區(qū)的地層、地理、生物、環(huán)境的演變，以及生物滅絕規(guī)律等，被海內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家推崇為世界同一地質(zhì)時期的“標準層型剖面”、世界罕見的“地質(zhì)瑰寶”“大地的史書”。

> 米亞爾疊層石

> 米亞爾疊層石

首先，研究不同時代疊層石的紋理，可以計算出億萬年前地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的周期。研究表明，由于疊層石生長在陽光可透射到的淺水區(qū)，有白天生長、晚上停止的生長紋理，由此可判別其生長的“日”理；紋理每月大潮時生長慢，低潮時生長快，又可區(qū)分出“月”理；每年夏季光照充足而生長快，冬季光照弱而生長慢，又可分辨出“年”理。20多億年前地球平均每年有460多天，也就是說，當(dāng)時地球自轉(zhuǎn)的速度比現(xiàn)在要快得多。

其次，疊層石記錄了遠古時代最古老生命的存在形式，由于疊層石通常由暗層和亮層兩種層理交替組成，暗層是藻類死亡后的尸體和分泌物，亮層是其他沉積物質(zhì)。這些明暗相間的紋理不僅是藍細菌生長見證，也是晝夜和季節(jié)變化重要信息，地質(zhì)學(xué)家可以據(jù)此恢復(fù)當(dāng)時古地理和古環(huán)境。

再次，疊層石形態(tài)上的差異，可以折射出當(dāng)時沉積環(huán)境的千差萬別與微生物活動的紛繁復(fù)雜。同時，疊層石每一種色彩都承載著沉積過程中化學(xué)條件與物理條件變化的印記。

更為重要的是，疊層石中蘊藏著豐富的藻類生物化石。通過深入剖析這些化石，能夠洞悉古生物種類、形態(tài)及其生活方式，從而揭開古生物世界的神秘面紗。同時，這些化石還為我們解讀環(huán)境變遷與生物演化提供了寶貴線索。因此，疊層石是探索地球古老生命的一把關(guān)鍵鑰匙。

03

疊層石寶庫的生長環(huán)境

在全球范圍內(nèi)，幾乎所有元古宙碳酸鹽巖沉積中都發(fā)現(xiàn)了豐富多樣的疊層石，最古老的疊層石距今約35.2億年。在目前自然界中，我們?nèi)阅苷业蒋B層石身影。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界迄今為止已經(jīng)描述的疊層石大約有330個屬，將近1500個種。

> 薊縣疊層石

天津薊縣國家地質(zhì)公園是我國最著名的疊層石產(chǎn)地，那里的疊層石非常壯觀，甚至整座山都是疊層石，先后發(fā)現(xiàn)了距今14億~ 8億年的微生物群化石，距今10億至8億年的藻類化石，號稱為疊層石寶庫。在國內(nèi)外博物館、地質(zhì)院校里看到的疊層石標本，多來自天津薊縣。據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所的研究數(shù)據(jù)顯示，薊縣剖面地層中發(fā)現(xiàn)的微生物群至少有16個屬、28個種。李四光曾說：“在歐亞大陸同時代的地層中，薊縣剖面之佳，恐無出其右者”。

> 薊縣疊層石（張凡 / 攝）

對薊縣疊層石的研究告訴我們，十多億年前的薊縣是一片古老的海洋。從14億年前開始，薊縣紀氣候炎熱濕潤，地殼仍然緩慢下降，有利于碳酸鹽巖的大量沉積和菌藻類生物的生長。巖石組合以各種類型的碳酸鹽巖為主，古地理處于濱海潟湖相、潮間帶和淺海陸棚，從而形成了大量藻類化石和疊層石等生物地質(zhì)遺跡。

隨著生物種類和數(shù)量增加，地球環(huán)境也在不斷發(fā)生變化，疊層石生存受到挑戰(zhàn)，現(xiàn)代疊層石再也不復(fù)當(dāng)年盛況，而是默默“隱居”在一些偏遠之地。讓我們走近疊層石的世界，更好地了解自己，也對生命、對大自然多一分敬畏。

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作者： 徐 燕 李富強

編輯： 張佳楠

排版： 劉欣潼

審核： 常 艷

官網(wǎng)： https://kpwhbjb.cgl.org.cn