[科普中国]-怎知沧海变桑田 - 浅谈古地理恢复

沧海桑田，大海变为农田，常用于比喻世界变化极大。古人曾借神话描绘出沧海桑田的变迁，见晋·葛洪《神仙传·麻姑》“麻姑自云说，接待以来，已见东海三为桑田。”麻姑说自她得道成仙以来已经三次见东海变为农田。仙者寿昌可见沧海桑田变迁之过程，可凡人寿短何以见？何以知？再者神话皆为人借神之口言己之言，作者又如何知道这沧海变桑田？又或者只是作者用的比喻手法而已，事实已不可考。至宋朝，见沈括《梦溪笔谈》“予奉使河北，遵太行而北，山崖之间，往往衔螺蚌壳及石子如鸟卵者，横亘石壁如带。此乃昔之滨海，今……”我奉命出河北，沿着太行山向北走，太行山山崖中间，常常嵌有螺蚌壳以及像鸟卵一样的石子，横贯在石壁中间如同一条长带子。这里应当是昔日的海滨，……这应该是有史可考的最早关于沧海桑田的科学解释了。

含有古生物化石的石壁

在太行山见到了只有海里有的螺蚌壳，所以这里曾经是滨海。这也就是现代古地理恢复的一大方法—生物古地理法。沧海变桑田只是地质变迁中最为大众熟知的一种，其他的地质变迁情况诸如河湖变高山、草原变浅海我们又如何得知呢？下面我将向大家介绍几种地质研究中常用于较小地区古地理恢复方法。

**首先引入风化搬运和沉积的概念：**在日常生活中我们都知道水里的东西是会慢慢沉淀到底部的，但是暴露在空气中的东西是会被慢慢剥离带走的。举个例子，河里的沙子会被后来的沙一层一层地压在下面，而山坡上的沙会被风吹走会被水冲走，如果每粒沙石都走过一段旅程，那风化就是离开家门挥挥手和母亲(岩)告别；搬运就是在外游历风里雨里，结交天南海北的人（沙）；沉积就是最后的安定，平静安稳。而这也只是一个旋回，安定了的浪子（沙）也会变成母岩，再送走她的浪沙，周而复始。甚至浪子(沙)出门的原因都是一样的—山河烂漫，风催人探。而要恢复古地理能提供参考的仅有安定下的浪子，他和他的小伙伴们把这一路的故事都藏在心里，等待我们去讲诉他的故事 - 用地质学的方法说说他从哪来经哪过到哪去，而从这故事综合在一起我们就能知道在他们的时代发生了什么。

地质学的方法包括生物物理化学方法，下面简要介绍。

一、生物古地理法

生物和环境之间存在着密切的关系。物竞天择适者生存，生物要生存和发展就要适应环境条件，其结果反映在生物的习性和形态特征上。以现代生物为例，在风急浪大的海岸一般生长着紧紧附于地面的植物和抗风浪的能吸附于礁石的贝类，贝类则能够在贝壳内发现粗大的肌肉附着痕等显示其生长环境的证据。再加上“将今论古”的基本地质学研究方法即发生在地质历史时期的地质作用及其结果必定能够用现代正在发生的地质作用及结果来进行解释。总的来说生物古地理法的基本原理是生物与环境相协调的自然法则始终如一。下面左图有着和右图生物壳体一样的分布特点 - 杂乱破碎种类多样且相似，这样我们就可以推断左图地层形成于与右图类似的滨海环境。

上海生古生物化石（上）下现代海岸生物碎屑堆积（下）

生物古地理法中有一个概念 - 生物相。生物相是指在一定环境下生物群的生态特征，也就是生物群落特征与环境特点相映相成。但生物也有适应能力强弱之分，像螺和贝壳河湖海里都有、珊瑚却只有特定环境的海里有。所以珊瑚礁化石可指示低纬度浅海温暖干净水域环境，而螺和贝壳类需要其他辅助证据。所以我们可以运用生物相大概确定其当时的环境是深海还是浅海；是滨湖还是河岸，得到一个大致的范围为后期工作减小工作量。

二、物理古地理法

物理法聚焦于岩石的结构构造特征并跟据其与形成环境的对应关系进行推断。沉积物的结构包括颜色粒度分选磨圆等等，沉积物的结构构造多由其沉积环境因素影响以河流沉积物为例，有沉积时河水流速，河底地形等。河流在不同流域有不同的流速表现，比如长江，从三峡朝发白帝暮至江陵的奔腾急流到江南江水映月圆的静静缓流，从上游到下游，从高峡到平川，流速逐渐下降，其蕴含的能量也逐渐下降。搬运物品需要能量，河流搬运碎屑石块也是如此。若舟为碎屑石块或者沙粒，情况则恰恰相反，水流湍急时易覆舟却易载沙，平静时易载舟却易覆沙。高能高速时能搬运更重更大的石块，低能低速时只能搬运沙粒甚至泥屑，同理在相同的流速环境下对不同碎块的搬运方式也是不同的，对于较大较沉的石块只能使其在河流底部地面推动或者滑动，对于较小较轻的沙粒能够带动其在河水中下部跳跃下移，最小最轻的泥屑能够使其浮在河水上部随波漂流。在碎屑搬运的过程中碎屑与碎屑，碎屑与河底的碰撞摩擦都会给碎屑物表面带来变化，跳跃碰撞带来凹坑，滑动摩擦带来圆滑。这就是河流搬运沉积作用的磨圆，也解释了卵石与沙粒表面不同光滑程度的原因。

河流往下游流去，会遇到越来越多的石块，带起沿途的石块沙粒消耗能量，但能量是在减少的，越往下游，流经越长，能量消耗就越多，剩余能量越少，能够带起的碎屑就越小越少。所以河流就从大到小从重到轻开始抛弃他携带的碎屑，从大石块到沙粒再到泥屑，浪沙们就这么安定下来了。在河水流过的区域里每种碎屑总是按序占据了一段河道，标志着河流在此处的变化 - 只能带动2.5mm的沙了—只能1.5mm的了 - 这也就是河搬运沉积作用中的分选。但自然界中总是没有那么截然的事物，每一块石头之间都有差异，每一股水流都有不同，所以每种碎屑的领地边界都是模糊的，相互之间你中有我，我中有他。

分选和磨圆只是岩石结构中能较好反映沉积环境的两个要素，其他结构要素暂不讨论。

沉积岩分选磨圆（上）与现代沉积物对比（下）

沉积岩的构造是分辨沉积环境的重要标志，如层理、波痕、干裂等。层理是由于浪沙们颜色，成分，结构的在竖直方向上不同所体现出来的层状现象，像切开蛋糕一层奶油和一层面包的不同。而这变化都是由于沉积环境的变化造成的，水深流向等。波哼和干裂就像蛋糕表面的花纹一样，有浪花流过，有干热的风吹过。沉积构造中有可以指示特殊环境的层理构造，如羽状交错层理，指示水流方向发生改变，多形成于潮汐带。而泥裂构造则指示高温干旱风化标志。

羽状交错层理（上）泥裂（下）

三、化学法

化学法常借助与特殊矿物的形成条件对环境进行指示，一般在古地理恢复中起辅助作用。例如石膏矿物形成于高热干旱环境。

总结

将这几种地质学方法所展示的信息有机结合起来，我们最终能够复原出这个地区在亿万年之前的地理地貌特征，讲述沧海桑田的故事。图为石炭纪某处沼泽古地理复原图。

人类寿命再长不过百余岁，而自地球46亿年来的故事又如此令我们心动，我们又从何得知呢？除了人类文明那五千年，其他的故事无不保留在你脚下的石头中，而地质学就是通过一块块岩石探寻他们背后的故事编制成网，与你娓娓道来。

参考资料

［1］地史学教程 刘本培全秋琦 地质出版社

［2］图片均来自于冯庆来老师地史学课程教案