【专题突破】生命印记与地球年轮——破译叠层石

作者简介

郑秀娟1 ，旷红伟2

1. 中国石油大学（北京）期刊社，北京 100083

2. 中国地质科学院 地质研究所，北京 100037

地球在其漫长的演化过程中，形成了丰富多彩的岩石，这些岩石记录了地球演化的历史。而在这些岩石形成的过程中，也伴随着生命的演化进程，其中有一类岩石被称为“微生物岩”，顾名思义，就是说它们的形成与地球上的微生物密切相关。微生物岩中最具代表性的一类岩石叫叠层石。科学家在大约3.7 Ga前的叠层石里，已切实找到了生命存在的证据，说明叠层石的形成的确与地球早期生命有关。科学家们通过研究确定了叠层石的形成过程：蓝细菌（蓝藻）是地球上最早的生命形式，它们通过光合作用，为地球孕育其他生命创造出了富含氧气的大气环境，而它们就蕴藏在当时的海洋环境中，附着在潮上和潮间滩涂或潮下浅海海底，与海水中沉淀的碳酸盐岩软泥、泥质细小颗粒等一层层堆叠下来，形成了今天所见的层层叠叠、形态各异的特殊的碳酸盐岩——叠层石。

叠层石的形成虽然与生命有关，但却很难区分它们的生物学特征，因此说叠层石不是真正意义上的化石，只能算是生物沉积构造。尽管如此，叠层石作为地球演化与生命起源的见证与记录，它几乎参与了地球生命演化的全过程，它记录了远古时代最古老的生命存在形式，现在我们还可据此恢复当时的古地理和古环境，因此叠层石被形象地称为“大地史书”。

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什么是叠层石？

Kalkowsky在1908年创造了“叠层石（stromatolite）”这一术语，并指出叠层石具有一定的几何学形态，断面呈现纹层构造（Kalkowsky，1908）。Walcott（1914）在元古宙硅质叠层石纹层中发现了似蓝菌的微化石，并由此提出叠层石是碳酸盐通过蓝菌的沉淀作用而形成的。1922年，葛利普在天津蓝口发现了中国第一块叠层石；1974年Awramik等对叠层石的定义重新进行了厘定，指出“叠层石是以蓝菌（蓝藻）为主的微生物在生长和新陈代谢活动过程中，粘附和沉淀矿物质或捕获矿物的颗粒而形成的一种生物沉积构造”（曹瑞骥，袁训来，2006）。陈晋镳（1994）通过长期的研究，借鉴前人不同定义的优点，将叠层石定义为“微生物岩的一种，席状、丘状或透镜状的有机沉积岩体”。曹瑞骥（2003）则将叠层石概括为由蓝藻类的微生物（少数为细菌、真菌或真核藻类）在特定的环境下与无机沉积物相互作用共同构成的一种生物沉积建造体。总之，科学家们都将叠层石看作是一种生物沉积构造。

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叠层石是如何形成的？

地球形成以后，随着岩浆固结、冷却，地球在自身引力的作用下捕获来自火山喷发产生的水蒸汽等挥发组分，在地表坑洼的地方聚集下来，逐渐形成了原始的海洋。在至距今大约4.0 Ga时候，地壳增长减缓，大陆变得稳定，浅海广布，使得蓝藻类微生物群落得以繁盛。在大约4.0～0.7 Ga这段地史时期内，由于强烈的光合作用，藻类白天生长形成亮纹层，夜晚停止生长，泥或尘等被吸附，形成暗纹层；除昼夜的生长变化，还有季节性变化，当冬天生长光照不足时就生长缓慢，夏天生长迅速，这时会形成年纹层；此外还有月纹层，因此现今我们看到的亮暗纹层分别是微生物白天夜晚或春夏秋冬的不同生长状态的记录。由于藻类的向光性生长，使叠层石永远形成向上生长的凸形，这些在纵剖面上向上凸起的弧形或锥形的叠置，就形成了叠层状的生物沉积构造（图1）。在叠层石生长过程中，会受水流、波浪等外力作用，其柱体往往顺水流方向倾斜；或由于水体深浅不一，层或柱周围被泥砂或碎屑物质充填，明显地表现出不同的结构，也造就了千姿百态的形态。

图1 世界上典型的前寒武纪叠层石

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叠层石的形态为何如此丰富?

叠层石可以很小，小到1cm左右；叠层石也可以很大，大到几十米厚、几百千米宽。这是前寒武纪叠层石的显著特征。但全球叠层石的发育形态是基本相似的，无论是哪个时代的叠层石，均由层-穹-柱-锥等基本形态及其组合构成。现代研究表明，叠层石的总体构造特征与造礁生物的种类关系不大，而更多的是受到了环境条件的影响。因此，叠层石种类的划分主要根据其表面特征，如大小、表面起伏形态、外部形态以及表面的构造等形态特征，通常可分为层状、穹状、柱状和锥状等。

◆ 层状叠层石

层状叠层石是最常见的叠层石类型之一，可进一步细分为层纹状、波状，还可依据连续与断续进行细分。层状叠层石（图2a），即叠层体形态以层状为主的叠层石，它的基本层多为波形、纹层形，形成环境为潮上带、潮间带上部和潮下低能带。而波状叠层石（图2b），它的柱体形态以波形为主，它的基本层主要为微穹形、穹形、波形及锥状，对称性和继承性由好至一般，其形成环境为潮间带上部至潮上带。

图2 神农架地区神农架群层状叠层石

◆穹状叠层石

因叠层石的柱体形态主要呈穹体而称为穹状叠层石，常出现在潮间带。例如，在南非距离金伯利约110 km的Boetsap地区的德兰士瓦（Transvaal）超群碳酸盐岩台地，就发育有大型的穹状叠层石（图3）。

◆ 柱叠层石

柱状叠层石是指柱体形态以规则次圆柱状为主的叠层石，柱体多数不分叉，仅有少数分叉（图4a）。这类叠层石形成于潮间带至潮下高能带环境。

柱叠层石（图4）是发育最为广泛、也是有着最多过渡类型的一类。从大小上来说，可以有大型（柱体直径大于50 cm，高度大于1 m）、中型、小型和微型等；从柱的规则度来说，可以有向上变窄、向上变宽以及纺锤型或哑铃型；从柱体间联结与不联结来说有单柱和分叉柱状，而分叉柱状还可进一步划分为简单（一次）分叉与复杂（多次）分叉，平行分叉与不规则分叉。不同形态是由形成时的环境条件和生物性状决定的。

（a）中元古代蓟县系铁岭组长柱状与简单分叉柱状叠层石，天津蓟县

（b）神农架群温水河组不规则柱状叠层石，神农架林区松柏镇

（c）打鼓石群不规则短柱状叠层石，湖北大洪山

图4 柱状叠层石基本形态

◆ 锥叠层石

锥叠层石的柱体形态主要呈锥体，同柱叠层石发育环境的广泛性相比，锥叠层石的分布相对局限，但锥叠层石的大小、形态非常丰富。尖锥、钝锥、柱锥（或锥柱）、层锥，甚至倒锥均十分发育，其大小和规模也各不相同(图5)。锥叠层石横断面一般为圆形、次圆形，亮暗纹层明显，近乎垂直于岩层。相对层状、穹状和柱叠层石，锥叠层石往往发育于更深水的潮下环境，只有少数出现在潮间带。

（a）神农架群大窝坑组炮弹锥状叠层石，神农顶景区

（b）神农架群矿石山组锥状叠层石横截面，神农顶景区

（c）中元古代蓟县系雾迷山组锥状叠层石顶面形态，天津蓟县

图5 锥状叠层石纵、横截面形态

◆ 其他形态叠层石

除了形态明确的层状、穹状、柱状、锥状叠层石外，还有很多种不同形态的过渡类型叠层石，可谓千姿百态！但同时也使叠层石形态与环境、形态与微生物群落的关系变得更为复杂。但总的来说，由层-穹-柱-锥的形态变化符合叠层石发育的水体由浅到深的变化规律，如倒锥状叠层石（图6a）（叠层石柱体形态下细上粗），其生长环境介于锥与柱状叠层石之间，一般锥的形态越尖，相对水体深度越深，表现了叠层藻向光性生长的特征，而椎体越钝，则表明水体环境更适于藻的发育，藻的生长更繁盛。包心菜状叠层石（图6b）大多形成于潮间带。斜歪柱状叠层石（图6c），表明其发育过程受到水流或波浪的影响，倾斜方向代表了潮沟水流的方向或海岬抗浪的方向。还有一种分叉非常复杂的叠层石，称为轮生分叉，以第一期发育的母体为基底，子体向上朝多个方向分叉（图6d），看上去像“灌木丛”一样，这是由于叠层藻在潮间带受陆源物质供应、水体能量或微生物群落发育条件等因素影响，在早期生长后，有过一段时期的停滞期，之后由于环境因素有利于叠层藻生长后，又出现了爆发性生长。轮生分叉属于复杂分叉的一种，通常发生在潮间下带。

（a）神农架群乱石沟组倒锥状叠层石，神农顶景区

（b）神农架群乱石沟组包心菜状叠层石，宋洛－徐家庄林场

（c）神农架群乱石沟组斜歪柱状叠层石，宋洛

（d）神农架群野马河组轮生分叉柱状叠层石，铁厂河剖面（209国道）

图6 神农架地区神农架群其他形态叠层石

当然，仅用叠层石来演绎地球生命进化的过程可能是困难的。然而，纵观地球历史中叠层石的兴衰过程，我们可以清楚了解到这一过程与地球大气圈、水圈、生物圈演化的密切关系。尽管叠层石几经繁盛和衰退，但现代环境中仍然局部发育着叠层石。这些原始的菌藻伴随着几十亿年的地球演化，历久弥坚，告诉我们地球的秘密，让我们感受生命的顽强。

叠层石形态似乎更是受到物理沉积因素特别是水深、水动力条件和泥沙输入的强烈影响。因此，从微尺度和宏观尺度的叠层石纹层可以很好地记录其增长过程中的这些“物理因素”。每个纹层代表了沉积时藻席表面藻生长的活跃程度，因此记录了沉积作用面的形态、叠层石生长的相对速率、沉积物的充填、波浪和/或水流作用对藻席增长的影响。纹层不仅严密记录了海底微生物席的形态，而且连续纹层的几何形态也记录了微生物席随时间的生长，这些都反映在叠层石的形态上。特定的叠层石形态代表独特的沉积环境，且与推断的古水深、水体能量及沉积物供应有关。不同沉积环境下形成的叠层石有不同的特点：潮间上带—潮上带环境形成的叠层石，总体平坦（纹层弧度低），与盆内碎屑关系密切；潮间带－浅潮下（正常浪基面之上）环境形成的叠层石，与内碎屑和/或细粒度碎屑质有关，形成曲度较低的穹状叠层石和不规则柱状叠层石；深潮下（正常气浪基面以下）环境形成的叠层石，纹层弯曲度较大的柱状叠层石—圆锥形锥叠层石发育。总之，叠层石形态与相关沉积参数之间的关系是相当密切的，由于可容空间的局部和区域性变化、水动力机制与沉积作用模式的不同，会导致叠层石发生潜在的高度分异。谭老师地理工作室综合整理

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叠层石有什么价值?

叠层石作为地球历史上生命早期形式的化石保存，无论是对研究地球演化、地球早期生命演化、探寻地外生命，还是研究其与沉积矿产和矿床的关系，或是作为一种神奇的观赏石，供大众欣赏、科普学习来说，都有很重要的意义（图7）。叠层石曾被海内外地质学家誉为世界同一地质时期的“标准层型剖面”、世界罕见的“地质瑰宝”“大地史书”。叠层石的价值体现在两个方面，一方面是它具有非常重要的科学价值，就是要利用它来揭示地球形成和生命演变的奥秘；另一方面，叠层石还有很高的观赏价值，可以极大地丰富我们的生活。

（a）铁岭组叠层石赤铁矿——宣龙式铁矿，河北宣龙

（b）陡山沱组叠层石磷矿，贵州开阳

（c）叠层石加工而成的工艺品（蓟县铁岭组叠层石）（实物来自天津蓟州马俊友博物馆）

图7 叠层石的应用价值

具体来说，这些价值体现在以下几个方式：

（1）地层对比标志物。地史上叠层石的繁盛和衰减的阶段性，明确地揭示了其作为前寒武纪重大地质事件存在的事实，因此，利用其发生、发展与衰减的阶段性或称幕式沉积，可以将其作为地层对比的标志物，但与严格意义上的地层对比存在一定偏差，因而其地层对比意义存在着巨大挑战。

（2）沉积环境分析。叠层石的形态、大小与丰度，除了与微生物群落有一定的关系外，更多的是和其所赋存的水体深浅、水动力能量、陆源物质的注入有关。

（3）生命起源。叠层石代表了地球上最古老和最原始的微生物生态系统。叠层石创造了地球大气中21%的氧气。在潮下带－潮上带的碳酸盐软泥上或基底岩石上，成千上万亿的菌藻微生物生活着，它们不断地吸入二氧化碳（CO2）、放出氧气（O2），从而为地球上生物的进化扫清了障碍，使地球更宜于孕育出更多更高等的生物，为地球生命的发展铺平道路。

（4）研究地外生命的参考。在向星系探索生命的过程中，叠层石形成的原始藻丝体往往成为地外生命是否存在的类比物。古老叠层石中藻丝体的发现一直被认为是生命的原始表现形式，因为地球的原始生命体征就是从这些叠层石的纹层中发现的。并因此使科学家联想到地外生命可能的表现形式，通过叠层石中生命现象的研究，去探究火星等地外量球上生命存在的可能性。

（5）叠层石与矿产的关系。叠层石还和很多金属、非金属矿产的形成关系密切，比如宣龙式铁矿（图7a）、东川式铜矿、贵州开阳埃迪卡拉系陡山沱组（图7b）、瓮安埃迪卡拉系灯影组叠层石磷块岩形成环境及成矿机制，等等，都和叠层石的形成和造礁过程有关。早在20世纪 80年代，邱树玉等十多位长期从事叠层石研究的专家就研究了晚前寒武纪藻类叠层石与磷块岩、沉积铁矿、铜矿和铅锌矿形成的关系，综合分析了藻类物在成矿中的作用。

（6）叠层石具有生物钟作用。不少研究者对叠层石纹层的时限性进行了研究，认为其明暗纹层为日纹层，或年纹层（季节性纹层），如朱士兴等根据叠层石纹层的周期性，计算出15亿年前的地球每年有546～588天，每年有13～14个月，每个月为42天，而每日为14.91～16.05小时，这和天文学上的计算结果惊人地相似！有科学家对阿拉伯海湾索拉尔湖的4种藻席纹层的沉积速率进行了观察研究，证明这些藻席纹层是季节性的而不是昼夜节律。伊海生对青海湖中叠层石的纹层研究也证明叠层藻纹层为年纹层，虽然这些纹层可能指示的周期还有待继续研究，但却为确定含叠层石地层的年代学及沉积时限提供了新途径。

（7）观赏价值。叠层石是一种外观很漂亮的观赏石，已被作为宝石开采和加工（图7c）。叠层石作为最古老化石不仅寓意长寿，而且还可雕刻成精美绝伦的艺术品，可供观赏和收藏

注：

①本文为国家重点研发计划深地资源勘查开采专项（No.2016YFC0601001)、中国地质调查局地质调查项目（DD20190002，DD20190005）共同成果。

②本文资料来源于旷红伟和柳永清等编著的《地球早期生物-环境演化记录：前寒武纪叠层石》）