3章化石与地质年代详解

3.2 地质年代 3.2.1 地质年代 ( geologicage )概念: 指地壳上不同时代的岩石、地层在形成 过程中的时间(年龄)和顺序。
根据地层学和古生物学方法分为：宙、代、纪等。 如显生宙包括古生代、中生代和新生代，古 生代又分为寒武纪等6个纪。 在各个不同时期的地层中有各自的标准化石。
纪的名称是翻译过来的，也有一定含意。 如 石炭纪是因那个时代煤岩丰富而得名； 侏罗纪是因德国与瑞士交界的侏罗纪山底层而 得名。 与地质年代相对应的地层分别称为界、系、 统、层等。它们与代、世、纪、期等名称平行并 用。 例如，称古生代的地层为古生界，称寒武纪 的地层为寒武系。

以菊花石为例： 它生于石炭岩地层中，像洁白的菊花，形态各异。 其实菊花即使压成化石也只能是残片，不可 能有花朵之形。 近年来据研究，菊花石花瓣由天青石和方解 石组成，花蕊由燧石构成。经分析其中还含有多 种金属元素。
所谓假石器是把一般碎石冒充为古人类石器 工具。上面既没有人类使用过的痕迹，而且与发 现的地点和周围的地理环境也不相符。

3．生物尸体掩埋的速度
生物尸体如果暴露于空气中，则会被氧化或遭 受其他生物吞噬和破坏，即使是硬体部分，年长 日久，也会被风化、毁坏。 因此，生物死亡后，需要有某种沉积作用 将其迅速掩埋，才能较好的保存急剧进行的地区，一般 化石就较多。 如我国甘肃东部、山西西北部、河南西部、陕西等 地，底层多数是河湖中形成的。由于动物遗体掩埋在水 底，盆地周围的沉积物不断覆盖，经过几番沧桑变迁， 湖沼干涸，沉积物变成坚硬的岩石，并且暴露到地表。 是哺乳动物化石较多的产地。我国著名的黄河剑齿象就 是在那里发现的。



矿化:在一定的物理化学条件下，在生物有机物 质转变为固相矿物的过程。
3.1.3 化石的分类与假化石 按保存的特点和大小程度来区分。 3.1.3.1 按保存的特点分类 1．遗体化石 指保存在岩层里的古生物体本身。 其中有的内部物质成分基本不变，是在特殊自然 条件下被封闭的。 例如 距今20万年——100万年的猛犸和披毛犀， 是在天然的冷库中被保存了下来。 又如 琥珀中的昆虫，是由树胶的突然包合而死亡 的(P 36 图3—3)。
据U238和Pb206的含量，可计算出岩石和化石的年龄。


地球形成的时期，也是用同样的方法测定出 来的。据测定大约是46.6亿年。 据说，从月球表面取来的细砂和角砾岩的测 定中，得出月球的年龄也是46.6亿年。这是一个 很有意义的数据。





*放射性碳14(C14)法： 地球上分布着许多碳的同位素C12 C13无放射性 C14 且具放射性。 C14很容易与大气中的氧化物结合变成具有放 射性的C02，植物吸收C02 时，利用了C14，动物 又从植物那里获得CO2，而当生物死后，就再没 有C14加入了。 C14的半衰期为5730年，即经过5730年后，生 物体内C14的含量减少为原来的一半，经过11460 年减少到原来的1／4。 现在生活着的生物体中的C14的含量是已知的， 据此，就可计算出化石的年龄了。


总之： 化石：是保存在地层中的古代生物的遗体、 遗物和遗迹的总称。
需要说明一点，现代泥砂层中埋葬着的贝 壳之类，尽管他们是生物的遗体，仍不能 当作化石，因为他们是现代形成的，不能 算是地史上的产物。

3.1.3.3 假化石 最常见的假化石：菊花石、松枝石、沉积结 核、姜结石、三棱石及假石器。 这些所谓的“化石”，其形状似化石， 甚至十分逼真，实际都是岩石的沉淀或金 属的沉淀物。

但是，由于骨化石环境温度的历史不 易掌握，在测定中有时可能出现大的差错。
4．热释光法 岩石或标本在燃烧、烘烤或物理、化学 风化过程中会释放掉最初的总发光量，继 而在平静的地质环境中受其本身和围岩及 宇宙射线的辐射作用，又重新从零开始积 累起来。 其积累的热发光与时间成正比。 为此可根据化石的总发光量来确定它的 地质年代。


此外，由于近代化学分析技术的进步，古生 物残留的一些有机物分子，如 氨基酸、脂肪酸、 叶绿素等，可从岩石中分离出来，进行鉴定研究， 从而确定生物的存在和属性。 这种具有一定的有机分子结构，可认为是某 些古生物的遗迹，故可称之为：化学化石或分子 化石(molecular fossils) (P38图3—5)
但是， C14年代测定的范围就现在测量 仪器的灵敏度，最大范围可达5万年。 如果样品不受限制，用浓缩碳测定年龄， 其范围可达7万年。

此外，还有： 裂变径迹法：被用来测定灰烬中的岩石等； 钾氩法：主要用于测定有火山活动地区的 材料。

2．古地磁法 地球的磁场在其发展历史中，方向和 强度都在不断地变化。 岩石和化石在其形成过程中，都受到地 磁场的作用而获得磁性，这称为原生剩余 磁性，这种磁性被保存至今，成为当时的 磁场情况的纪录。 根据专门的仪器测定，可以用来进行地 层原生剩余磁性的对比，确定它的年代。

如常见的硅化木(silicified trees)(图3—2)， 虽然它的细胞、年轮都保持下来，但物质成分 却是二氧化硅。

钙化：有机体因钙盐沉着而变硬。 碳化：指生物质在缺氧或贫氧条件下分解为碳和 其他产物（气体）的过程。 硅化：生物硬体原来的成分被二氧化硅所交代的 作用。交代物质为石英、玉髓或蛋白石等；

3 章
化石与地质年代


3．1 化石 3．1．1 化石(fossil)的概念 化石是经过自然界的作用，保存于地层中的 古生物遗体、遗物和它们的生活遗迹。 化石是生物进化的直接证据，是古生物学研 究的对象。 迄今为止，已有记录的化石种估计有25万个。
1）化石大多生物体的是坚硬部分，如动物的骨骼、 贝壳，植物的茎、叶等。经过矿物质的填充和交 替作用，形成了仅保持原来形状、结构以至印模 的石化了的遗体、遗物和遗迹。 (钙化、碳化、硅化、矿化) 2）少量是指未经改变的完整的古生物遗体，如冻 土中的猛犸、琥珀中的昆虫等。
2、生物体组成部分的坚硬程度 凡软体部分，如皮肤、肌肉以及各种器官， 则易腐烂而消失。 凡硬体如介壳、骨骼、牙齿、角、树干、孢 子、花粉等，不易被毁灭； 所以常见的化石，大多由生物体硬体部分所 形成。如： 恐龙化石， 多为骨架； 象的化石， 多为牙齿与骨骼； 河蚌化石， 多为介壳； 三叶虫化石，多为甲壳。



3．2．2 地质年代的测定 1．放射测定法 运用放射性元素的特点进行测定的方法。

放射性元素以自己恒定的速度进行衰变，不 受外界温度和压力的影响。在一定时间内，放射 性元素蜕变的分量和生成的元素具有一定的比例。
如：

1 g U238
45亿年 → 0.5 g U238 + Pb206
也就是说，0.5gU238蜕变成Pb206需要45亿年。
3、遗物化石 指动物的粪便、卵(蛋)以及人类祖先使用的 工具等。 如：鱼的卵、狗的粪便； 人类祖先使用过的石器、骨器、装饰品； 欧洲旧石器时代晚期的洞穴壁画(图3-4)和雕塑。 爬行类和鸟类的蛋化石。




4．遗迹化石 遗迹化石是古代动物活动时留下的痕迹。 主要的是足迹。 与岩层紧密共存。岩层移动或破坏，足迹也就消 失。 这类化石都是原生的。 通过遗迹化石可以推测动物的活动情况。 可从足迹的深浅、大小、多少来推测动物的 体重和数量。 这类化石的数量尽管不多，但对某些方面的 研究具有重要意义。






3．氨基酸外消旋法 在显微镜下，溶液中的氨基酸会改变偏光的 方向，可分为左侧或右侧偏光。 现生动植物所有的氨基酸均为左侧偏光。当 它们死后会出现一种称外消旋的分子化学重组过 程，其氨基酸逐渐丧失左侧的偏光性，而变为左 右随机的偏光。 在特定的温度中，左侧偏光特征的消失速率 是预知的。 所以根据化石左右偏光氨基酸的比例以及沉 积时的温度，可以用来测定地质年代。




3.1.3.2 按保存的大小分类 1．大化石 指肉眼或放大镜能直接观察到的化石。 2．微体化石 (micro fossils) 用显微镜才能观察到的一类微小化石。 指个体小的古生物或大生物体的某些微小 部分的化石，如有孔虫、放射虫、细胞、孢子、 花粉等化石。 远古时代的细菌、蓝藻化石也属这一类。


生物钟的概念就是由此而建立的。 现在还可以根据少数已精确断定年代的化石 对分子钟进行矫正。 利用这些化石，也可估计出某些现存生物自 共同祖先以来的分歧年代。


化石年代的测定，近30年来在年代测定方法 (相对年代或绝对年代)上有很大改进。 同时，也往往采用多种方法交叉测定，因而 与过去相比其正确程度大为提高。 精确确定的化石顺序是证明生物进化最有效 的手段。

有的遗体化石的物质成分有较大的变化， 例如 前面提到的硅化木。 也有的遗体化石不仅物质成分变了，组织构 造也起了明显的变化。 例如 有的植物叶子、鱼鳞等埋入地下后，其中 所含的氧、氢、氮等都挥发掉了，只留下了碳质 薄膜。


2．模铸化石 指生物体在底层或围岩中留下的各种印模和 复铸物。 分2类：印痕化石 印模化石
3．1．2化石的形成 取决于以下几种因素。 1、生物死亡的数量 一般生物死得多形成化石的机会就多；反之 机会就少。 海洋环境形成的地层中，容易发现动物化石， 特别是珊瑚一类的化石； 含煤的地层中，容易得到植物的化石。 陆地环境形成的地层里，难以找到化石，尤 其是哺乳动物化石。


1）印痕化石(impression fossil) 即生物体陷落在底层，留下了印迹，而其遗 体则往往遭到破坏分解、腐烂。但印迹上却保留 下该生物体的主要特征。 常见：植物的根、茎、叶、花、果； 动物的触须、附肢、羽毛等。
2）印模化石(model fossil)：


当生物体的坚硬部分(多是贝壳)最初完整地 保留在围岩，后来被地下水溶解，留下一个空洞， 但在空洞的四壁留下了该生物体的外形，称为 “外模”； 相反，保留壳瓣的内部模样的印痕，称为 “内模”。 外模和内模所表现的花纹凹凸情况与原物正好 相反。
超微化石主要是指超微浮游生物，体形小、 数量多、分布也甚广。 不论在前寒武纪的古老岩层到最近的沉 积岩层均可找到。 研究意义：超微化石对研究前寒武纪地层及不含 大化石的地层很有价值，也可用于对古环境的探 索。


用电镜从事化石研究是一种比较新的技术。 用扫描电镜研究古植物只有30多年的历史。 我国也用它来研究颗石藻、硅藻等超微化石。
4．石化的程度和快慢 石化就是古生物体的遗体、遗物和遗迹通过 物理、化学作用，使它们变成坚硬如石的过程。 物理作用：指生物体的外形印烙在岩石上的过程； 或者是壳体、骨骼等空隙被泥沙或其他矿物质所 填充使之变硬的过程。 化学作用：指化学溶液对古生物硬体部分的作用 过程。 即碳酸钙溶液、二氧化硅溶液和黄铁矿等 溶液，在地层中流动时，不断接触古生物硬体部 分，其溶液的矿物质成分不断与生物体进行化学 置换，久而久之，这些生物体的物质成分几乎全 部被矿物成分所取代，而形态则保持原样。



例如： 1977年在南非，35亿年前的斯威士兰系的古 老堆积岩中，曾发现200多个在显微镜下可清楚 看到的与原核藻类非常相近的古细胞化石。 在我国东北，距今24亿年前的鞍山群地层中 也发现过铁细菌化石。 我国五台山群等地层中，也有距今18亿年前的 蓝藻化石。




3．超微化石 (ultramicrofossil) 指只有在电子显微镜下才能观察到的特别微 小的一类化石。 一般认为大小在10 um 之下， 也有主张可包括25 um左右的微小化石。

在“中国猿人”的测定中，热释光法 就用来测定猿人洞和山顶洞的角砾堆积。 猿人洞第10层的年代是59.2万年前， 第4层为31.3万年前，山顶洞的下窖在3．2 万~5万年前。


5、电子回旋共振法(ESR) （略） 通过对生物体(包括已绝种的生物)内基因的测定，发 现所有生物世系的基因一直在以稳定的速率积累着突变， 如在核的DNA和细胞器DNA中，碱基替换的平均积累 几乎与放射性衰变过程一样，准确而有规律。