生物地層學的基本原理及方法

生物地層學是根據(jù)生物發(fā)展歷史及其空間分布規(guī)律，闡明地層的發(fā)育順序，并研究生物化石在地層劃分，和對比中的原理和方法。當前1頁，總共58頁。地層中生物的存在和分布形式客觀地反映了地層的時空結構?；驹恚?當前2頁，總共58頁。3基本原理：著名的英國地層學之父Smith根據(jù)自己的長期實踐于1815年提出：不同巖層中所含的化石各不相同，可以根據(jù)相同的化石來對比地層并證明是同一時代。這就是后來受到一致推崇的化石層序律（Lawoffaunalsuccession）。他開創(chuàng)了生物地層學方法。化石層序律是確定地層層序的主要方法。當前3頁，總共58頁。4

W.史密斯（1769－1839），英國測量工程師，在參加開鑿運河的土地測量工作時熱心收集古生物化石，在此基礎上提出了化石層序律。當前4頁，總共58頁。地層年代的概念，必須建立在生物地層學的基礎上。地質歷史發(fā)展過程中，不外乎是無機界和有機界（即生物界）的演化發(fā)展過程，而生物界的演化比無機界的發(fā)展具有更加顯著的階段性和不可逆性。只要地層所含化石或化石組合相同或相似，它們的地質時代就相同或大致相當，這就是使用古生物化石劃分對比地層的理論依據(jù)。古生物學方法是確定地層相對地質年代的基礎。5當前5頁，總共58頁。在一個地層單位中，選擇少數(shù)特有的生物化石，它們在該地層上下層位中基本上沒有，該種化石只在該段地層里出現(xiàn)，它們是特定地質時代的產物，這些化石就叫作標準化石。根據(jù)標準化石來進行地層劃分和對比的方法叫做標準化石法。所謂標準化石也是相對的，但它具有明顯特征：生物生活時代短；分布范圍廣；數(shù)量多；保存完好，易于鑒定。6當前6頁，總共58頁。標準化石在海相地層劃分對比中發(fā)揮著重要作用，化石帶往往可以作為洲際對比。

標準化石是最理想、最重要的生物標志。標準化石法是最簡單的生物地層學研究方法，其突出優(yōu)點是較為經濟，簡便易行。7陸相地層由于沉積環(huán)境復雜，相變急劇，砂礫巖和紅層比較多，化石稀少，比海相地層對比難度更大。各油田古生物研究人員，特別是微體古生物研究人員經過四五十年的努力，發(fā)現(xiàn)了大量的各門類標準化石，進行了電子顯微鏡掃描并編制成圖冊，成為陸相中、新生界油氣勘探地層劃分對比的重要依據(jù)，在油氣勘探中發(fā)揮了重要作用。當前7頁，總共58頁。與標準化石法用單一化石屬種劃分對比地層不同，化石組合法是用生物群劃分對比地層。8在地質歷史中，同一生活環(huán)境中不只有一類生物，而是多種生物共生在一起組成一個生物群。在不同時代不同環(huán)境中，由于各種生物適應能力不同，產生的組合就不相同。生物群及其演化，在一定程度上，反映了該地層形成時期生物群的總體面貌。因此利用生物群組合來劃分地層界線，用來對比地層，也是十分可靠的。用它來對比地層可以防止個別標準化石在特殊沉積環(huán)境中，由于穿時現(xiàn)象造成地層對比錯誤的弊病。當前8頁，總共58頁。9含不同化石的兩地層通過化石混合來進行對比示意圖當前9頁，總共58頁。所謂種系演化是指生物發(fā)展演化進程中的演化系列和彼此間所存在的親緣關系。若地層中化石豐富，當逐漸詳細采集，并經詳細鑒定和研究，則可根據(jù)各種生物屬、種之間在層位上和形態(tài)、構造上的逐漸過渡關系，找到它們在發(fā)展演化上的內在聯(lián)系，根據(jù)其祖先和后代之間的親緣關系將其劃分成不同的演化階段。根據(jù)這點，便可以將含這些化石的地層劃分開來。10盡管運用種系發(fā)生法劃分對比地層，常因古生物資料的不完備性而遇到困難。但在大量的古生物學資料的基礎上，在長期的生物地層學的實踐中，有許多實例。如寒武紀應用三葉蟲的演化，在奧陶紀、志留紀應用筆石的演化，以蜓的演化劃分石炭、二疊紀地層，以菊石和哺乳類的演化劃分中、新生界地層等。當前10頁，總共58頁。11當前11頁，總共58頁。12當前12頁，總共58頁。13當前13頁，總共58頁。百分比法是生物地層學中常用的最簡單的數(shù)理統(tǒng)計法。將所要研究的地層中化石進行全面統(tǒng)計，與已知時代的剖面中的化石作分層比較，求其相同的百分含量，以此便可以確定其時代的方法稱百分比法。這是Lyell在研究新近系的時候提出并利用。百分統(tǒng)計法的優(yōu)點是直觀，在小范圍內使用相當準確，尤其適合于石油、煤田等微體化石統(tǒng)計研究。14當前14頁，總共58頁。15當前15頁，總共58頁。16當前16頁，總共58頁。利用所含化石的百分比對地層進行劃分和對比是定量地研究地層的方法之一，它是標準化石法和化石組合法的有效補充。但百分比這一簡單的數(shù)理統(tǒng)計法有明顯不足之處。如作為對比標準的已知剖面各層中，可能因環(huán)境變化而所含化石數(shù)量有差異，即與未知剖面相當?shù)膶游豢赡芤颦h(huán)境不適宜恰好含化石稀少；有時，已知剖面各層位中所含化石的數(shù)量與這些化石的標準化不一致，出現(xiàn)化石雖多，但時間標志較差的情況。這些都會給百分比法帶來困難。17當前17頁，總共58頁。圖解對比法（graphiccorrelation）系Shaw1964年建立；該方法采用二維坐標投影的方法，將若干地層剖面上所有化石的分布點綜合起來，形成一個“復合標準剖面”；借此復合標準剖面，一方面可以判定各個化石分類單元的總體地質分布時限，另一方面也可以進行地層對比。18圖解對比法的基礎是，所有沉積地層剖面（地層厚度）都是時間的函數(shù)，每一個化石分類單元在剖面上的分布都處于同樣的時間區(qū)間內。當前18頁，總共58頁。以時間為對應參照標志，可以在一個二維空間坐標系中將兩個同時形成的地層剖面以地層厚度為標尺對比起來，而兩剖面上各化石的分布區(qū)間成為兩剖面時間對比的參照點。19當前19頁，總共58頁。建立各研究剖面上各化石分類單元的分布區(qū)間；選擇兩條化石記錄比較好的剖面，以這兩條剖面地層厚度分別為縱坐標軸和橫坐標軸，將所有化石的首現(xiàn)點和末現(xiàn)點分別投影到坐標軸上，求出對比曲線；選擇一個坐標軸作為復合剖面，通過對比曲線，將另一條剖面上的化石首現(xiàn)點和末現(xiàn)點投影到復合剖面軸上。以該復合剖面為基礎，將其與其他剖面進行逐個對比，將其他剖面上的化石點也逐個投影到該復合剖面上來。20當前20頁，總共58頁。剖面對比依賴的是各剖面之間所共有化石類別，因此要求參與對比的剖面應該有較好的生物地層研究基礎，并且各剖面間有一定量的相同化石類型；兩條剖面對比時，由化石首現(xiàn)點和末現(xiàn)點產生的坐標投影往往并不在一條直線上，對比線應該是一條線性回歸線。對比線的形態(tài)很好地反映了對比剖面的沉積特征：對比線的斜率反映了剖面地層的沉積速率與區(qū)域平均沉積速率之間的關系。兩條剖面復合對比時，化石首現(xiàn)點總是取較低的點，末現(xiàn)點取較高的點。它可能大于該類別在所有實際剖面上的分布區(qū)間，但并不能反映該類別在研究區(qū)外的分布時限。21當前21頁，總共58頁。22當前22頁，總共58頁。運用圖解對比法可以更準確有效地對比地層，發(fā)現(xiàn)剖面中的地層缺失和化石保存及采集中的問題，得出一個比所有剖面都完全的復合標準剖面，以及各個化石在該研究區(qū)的最大時限范圍。該對比法并非以數(shù)學取代了生物地層學，而是與其他方法一樣有賴于詳細測量、仔細采集和正確鑒定化石。在確定對比線的位置時，也必須運用地層研究者的經驗來解釋年代地層對比的結果。采用圖解對比法，可以很快地積累化石的出現(xiàn)和時限范圍資料。當資料數(shù)量比較多時，還可以用計算機進行處理。23當前23頁，總共58頁。地層記錄是一部反映地球和生物界形成和發(fā)展的萬卷書，沉積作用則是該書的原作者。從沉積作用的特征和機理上查明地層記錄的特征和屬性，對正確使用地層學的基本原理和定律，深刻理解地層特征與其時間屬性均具有重要意義。盡管形成地層記錄的沉積作用和機理千差萬別，但概括起來可歸結為四類：24當前24頁，總共58頁。古生物學在地質學中的應用★古生物是地層系統(tǒng)、地質年代表制定的主要依據(jù)★古生物方法是地層劃分和對比的重要方法★古生物是恢復古環(huán)境的重要證據(jù)★古生物資料在找礦上的應用★古生物資料在地球物理學方面的應用★古生物資料在構造地質學方面的應用當前25頁，總共58頁。3、古生物是恢復古環(huán)境的重要證據(jù)能恢復古環(huán)境的化石必需是原地埋藏的化石原地埋藏化石的主要標志:

原地埋藏的生物化石往往保存較完整，表面微細構造往往未遭破壞，表面無磨損現(xiàn)象。

原地埋藏的化石個體大小往往極不一致，包含有不同生長發(fā)育階段的個體。異地埋藏的化石由于在搬運過程中的分選作用，常常個體大小較一致。

生物化石保持原來生活時狀態(tài)的為原地埋藏，反之，為異地埋藏。當前26頁，總共58頁。

原地埋藏化石的主要標志（圖解）左：正常右：經搬動當前27頁，總共58頁。3、古生物是恢復古環(huán)境的重要證據(jù)（續(xù)）——

“將今論古”法根據(jù)古生物化石可以恢復古地理、古氣候、構造運動等①實證古生物學方法——即“將今論古”法

研究現(xiàn)代生物的生活方式，借以判明地史時期同類古生物的生活方式研究現(xiàn)代生物與各種外界環(huán)境因素的關系，借以闡明古代生物的生活條件及其生活環(huán)境當前28頁，總共58頁。“將今論古”法的實例現(xiàn)代造礁珊瑚的生活方式與生活環(huán)境（底棲固著、淺海、海水清沏、熱帶、亞熱帶，緯度、赤道位置）推測古代造礁珊瑚的生活環(huán)境和生活方式當前29頁，總共58頁。當前30頁，總共58頁。3、古生物是恢復古環(huán)境的重要證據(jù)（續(xù)）———指相化石分析方法指相化石(faciesfossil)：能夠明確反映某種特定環(huán)境條件的化石當前31頁，總共58頁。指相化石分析方法實例植物、動物化石—分出海陸邊界（古地理）Lingula(海豆芽/舌形貝)---濱海造礁珊瑚---淺海；熱帶亞熱帶黑色筆石頁巖---較深水滯流還原環(huán)境植物---可分出不同氣候帶（古氣候），成煤期反映氣候溫暖潮濕當前32頁，總共58頁。筆石是浮游生物化石，生活在遠海的中上層水域中。因此，它們往往指示出深水海洋環(huán)境。當前33頁，總共58頁。在雅安天全須家河組剖面的上樣品中分析出豐富的孢粉化石，共計55屬95種，其中屬于在四川盆地晚三疊世中新發(fā)現(xiàn)的有27屬63種。新成果蕨類植物中以真蕨類為主?，F(xiàn)代真蕨植物絕大多數(shù)生活在熱帶、亞熱帶潮濕氣候區(qū)，多為林下植物，地質歷史時期的多數(shù)真蕨也生活在同樣條件下，與喜濕熱的蘇鐵植物共同組成熱帶、亞熱帶植物群落。因此，上述晚三疊世須家河組中的孢粉化石，反映的古氣候為亞熱帶－熱帶潮濕炎熱氣候環(huán)境。當前34頁，總共58頁。當前35頁，總共58頁。

廣元市河西鄉(xiāng)中侏羅統(tǒng)沙溪廟組上段面沉積相柱狀圖（馬門溪龍動物群）

新成果當前36頁，總共58頁。

在四川廣元河西鄉(xiāng)恐龍化石埋藏地的上沙溪廟組地層中，采獲了豐富的雙殼類化石，主要包括：Psilunioglobitriangularis，Cuneopsisjohannisboehmi，Psiluniosinensis，Eolamprotulaguangyuanensis，Cuneopsissichuanensis，Psiluniochaoi，Eolamprotulapaucinodulosa等，屬于喜熱的Cuneopsis-Psilunio-Eolamprotula淡水雙殼類動物群—中侏羅統(tǒng)。為廣元河西鄉(xiāng)恐龍動物群時代的確定和氣候環(huán)境提供了新的資料。新成果當前37頁，總共58頁。新成果當前38頁，總共58頁。共發(fā)現(xiàn)4個遺跡屬，4個遺跡鐘（含未定種）：Macanopsissp.（節(jié)肢動物的潛穴）。Scoyeniasp.，

Palaeophycussp.，Muensteriasp.等。從總體上看屬于Scoyenia遺跡相類型,因而這些泥質粉砂巖和粉砂質泥巖的沉積環(huán)境為為陸上暴露或淺水覆蓋的泛濫平原廣元河西恐龍化埋藏地

沙溪廟組上段地層中的遺跡化石

新成果當前39頁，總共58頁。廣元河西恐龍化石埋藏地巖相及沉積環(huán)境

新成果當前40頁，總共58頁。廣元河西鄉(xiāng)沙溪廟組上段粉砂質泥巖中的鈣質結核層當前41頁，總共58頁?？铸埳钣趶V闊的沖積平原之上，考慮到沙溪廟組沉積時期為半干旱的氣候條件，恐龍的死亡可能是由于在旱季時食物的不足造成的?？铸埶劳龊?，尸體在未完全腐爛之前，被季節(jié)性越岸洪水經過一定距離的搬運至極淺湖環(huán)境下，被粉砂質泥巖等細粒沉積物所掩埋。由于經過一定距離的搬運，因而恐龍化石呈散架的形式保存。當前42頁，總共58頁。4、古生物資料在找礦上的應用煤、石油、磷礦等由生物形成金礦有部分由低等生物形成用孢粉和牙形石的成熟度來圈定石油儲藏的可能范圍分析有機腐植酸的含量研究可能含油地段稀有金屬（Mo、V、U、Ni、Co、Pb、Cu）等的富集與古生物有關當前43頁，總共58頁。狗頭金當前44頁，總共58頁。石膏、食鹽、鉀鹽等礦產形成于干燥蒸發(fā)性強的環(huán)境，用古生物來判別古氣候用古生物來確定含礦地層時代，有目的地找礦，確定含礦層位的分布規(guī)律當前45頁，總共58頁。5、古生物資料在地球物理學方面的應用Wells在1963年研究現(xiàn)代珊瑚時，發(fā)現(xiàn)珊瑚外表的生長紋每年約增長360條，他認為每條生長紋代表一晝夜時間。進而他研究了D、C的四射珊瑚,發(fā)現(xiàn)四射珊瑚外表有粗細兩種橫紋。認為粗的生長帶是年生長周期的痕跡；細的生長線是晝夜生長周期的痕跡。D紀四射珊瑚兩條生長帶之間約有385-410條生長線，C紀有385-390條。由此推測D、C紀一年的天數(shù)要比現(xiàn)代多這個推測為地球物理學和天文學的計算所證實，年代越新，則天數(shù)越少當前46頁，總共58頁。古生物學在地質學中的應用（實例）當前47頁，總共58頁。

天數(shù)

同位素年齡（Ma）

時代

411600∈403500O397435S395410D391360C386290P382240T380205J375138K37063365原因：潮汐摩擦使地球自轉變慢，使每天的時間在一個世紀大約增加0.0016秒，故每年的天數(shù)漸漸減少

韋爾斯的推斷與地球物理學的計算不謀而合當前48頁，總共58頁。6、古生物資料在構造地質學方面的應用驗證大陸漂移—Wagener在20世紀初推論：古生代時北美與歐亞曾拼合成為勞亞大陸（北部）；南部的南極洲、印度、非洲、南美、拼合為岡瓦納古陸；中間由地中海隔開。南北大陸在中生代