[科普中国]-叠层石

主要是由蓝绿藻本身(还有细菌)作用及其生命活动遗迹和沉积作用产物的综合体，常在灰岩、白云岩中形成同心状的叠层构造，故名“叠层石”、它由基本层组成，基本层有钙质层及藻层互相叠置而形成的明暗相间的层理．在我国元古代地层中叠层石十分丰富，产地分布很广。1

形态基本层基本层又叫生长层，是构成叠层石体的基本单元。它通常由暗层及亮层两部分组成，藻类生活状况及自然条件的周期变化形成叠层石的原生亮暗层理。

叠层石的基本层形态有两种主要类型：①拱形基本层；②锥形基本层。

柱体柱体形态主要受基本层形态的控制，同时受环境影响。根据柱体自上而下直径的变化，柱体形态可以分为两种基本类型。一是圆柱状或次圆柱状柱体，柱体直径自下而上无显著变化。

二是杯状或茎块状柱体，柱体一般较短，基部很窄，向上很快不断地增宽。

形成方式研究叠层石的成因必须从研究现代叠层石入手。它们主要是层纹状叠层石，头状的柱叠层石，球状叠层石等。在温泉中还可发现蓝藻所形成的近乎锥状叠层石的构造。

现代叠层石主要生长于潮间带。生活于水下，但可露出水面。水体可以是正常海水、亦可以是咸化或淡化泻湖。

生长条件①蓝藻藻丛的生长发育；

②有一定数量的细小沉积颗粒供蓝藻的胶鞘粘附；

③水底的底流不太强烈，水底物质的位置相对稳定；

④叠层石增长速度大于它的剥蚀速度；

⑤叠层石在生长过程中应迅速得到固结，否则就会垮塌，不能具备形态学特征。

古代叠层石主要保存于石灰岩、白云岩中。在燧石层、磷块岩、铁矿中，甚至砂岩中也可发现叠层石。

命名方式叠层石命名采用双名法。在分类级别上可使用独特的类（type）、亚类（subtype）、超群（supergroup）、群(group)、型（form）五级分类系统。

Tungussia Semikhatov(通古斯叠层石) 柱体呈块茎状或不规则假圆柱状，母柱体粗大，从母柱体上长出众多的子柱体（可以是5-10个子柱体）。子柱体可以是斜向生长，也可以横向生长。有时在横向或斜向生长的子柱体又长出向上生长的次一级子柱体、形成屈膝状。基本层为不规则拱形，可具环檐，局部具体壁。主要产出时代为13.5亿年前至5.7亿年前。

地质史世界上最古老的叠层石发现于非洲南部的布拉瓦约白云岩（Bulawayo Dolomite）中。同位素年龄为28亿年左右，是层状—层柱状的叠层石。不分叉柱状叠层石开始出现于25-27亿年的地层中，以Conophyton类型为主。分叉的柱状叠层石繁盛于20亿年前到6.8亿年前，以后随着后生动物的繁荣而急剧衰落。中奥陶世以后，多为小型分叉叠层石，一般不形成大块礁体。

分布根据Walter(1983)的统计，已知在澳大利亚、北美和南非三个不同大陆的11个地点发现了太古宙的叠层石，其年龄都在25亿年以上。

现代叠层石主要分布于北美巴哈马群岛和西澳大利亚沙克湾（Shark Bay）。

最古老的叠层石发现于踞今约28亿年前的南非布拉瓦白云岩中。不分叉的叠层石出现在距今25—27亿年前，分叉的柱状叠层石主要繁盛于20亿年前到6亿年前，随后逐渐衰落。现代的叠层石主要分布在北美巴哈马群岛和西澳大利亚沙克湾。我国最著名的叠层石产地是天津蓟县国家地质公园，那里叠层石非常壮观，甚至整座山都是叠层石。我国北方很多地方都分布有中新元古代的沉积岩，那里都有可能找到叠层石，如北京的房山区的西部，昌平的南口。

2017年2月 26日，重庆酉阳古生物调查组在酉阳板溪镇附近，发现了面积约1.8平方千米的寒武纪叠层石。据悉，去年10月酉阳后坪乡也曾发现叠层石，而此次发现是重庆境内的第二次发现。

研究为解读叠层石中丰富的古环境信息，屈原皋等在北京周口店西南的拴马庄剖面上，选取高程135米，地质年代约10亿年前，包含水平状、波状、穹隆状、包菜状、分枝状、柱状、S型等各种形态的叠层石构造，通过实地剖面观测、样品显微镜观测等手段，对其岩性、纹层、形态等进行了详尽的分析。发现叠层石主体岩性为白云岩，所含矿物95%以上是白云石，有少量长石碎屑和石英，在显微镜下可以看到明显的亮暗分层。 研究者通过对S型叠层石样品的综合观察，统计其中300多个纹层的厚度值发现，一个完整的S型叠层石包含纹层至少为470，由此推断该岩石沉积时，一年至少有470天。同时，根据这些纹层周期性的厚度变化，发现相邻两个厚度峰值间隔36到40个纹层，显示当时一个月至少有40天。进行必要的数理统计分析，考虑可能引起误差的相关因素后确定，当时一年的天数至少为516±20，包括12.9±0.5个月，进而在不考虑地球公转周期变化的前提下，算出一天的长度为16.99±0.66小时。最后根据S型叠层石的形态，算出当时的黄赤交角大于现在的23°27’，应为29.2°～30.6°。

现在科学界普遍认为，由于月球逐渐远离地球和潮汐作用对能量的消耗，地球自转和月球绕地公转的速度，都在不断减慢，地球的黄赤交角也在不断减小，此次的研究结果支持这一总体演变趋势。虽然这一研究已取得初步结论，但叠层石纹层的厚度周期变化具体的形成机制，还有待进一步的深入研究。

衰落之谜叠层石是藻类繁衍生息形成的生物遗迹岩石。元古代叠层石生长于潮上带、潮间带和潮下带的滨海地区。元古代藻类——丝体藻主要生活在平坦的沉积碳酸盐岩表面之上10mm的范围内。从元古代的含藻类的燧石切片看，丝体藻像水蛇或章鱼一样完全自由、舒展地漂浮在海水溶液中，而不是生活在洞穴中。假如当时叠层石所生活的海洋中有海浪或海流的话，藻类又没有什么可抓扶的地方，必然会被海水冲走。然而叠层石是藻类世世代代在一个固定地方生息形成的，藻类没有被海水冲走，说明藻类生存在静水环境之中。因此说叠层石所生活的海水和海岸是没有海浪和海流的，即使有也非常微弱，且海浪高度应该不超过10cm。海浪微弱说明当地的风力也很微弱，不超过1级。如果海流存在的话，海流会使海水里钙镁离子的浓度达到均一，饱和程度和沉积厚度一致，而元古代地层里碳酸盐岩的厚薄相差极大，因此说海流不存在。

从世界各地叠层石统计资料来看，叠层石只生成于较纯净的碳酸盐岩中或燧石中，而不会生成于黏土岩或碎屑岩中，甚至含泥较多的碳酸盐岩中也没有叠层石。也就是说，叠层石只生存于清洁的海水中，因为有黏土沉积的话，藻类群就会被掩埋掉，这说明黏土没进入海洋中。而黏土没有进入海洋中，需要具备两个条件：一、不能有河流入海（有河流的话，黏土会被带入海洋）；二、不能有稍大的风。因此说叠层石存在的地方，必然具备下述4种地理环境特征：1、无风（微风）；2、没有海浪或者是微浪；3、没有海流；4、没有河流。也说是说，叠层石能指示上述4种地理环境特征。

在中上元古代时段，全球七大洲都分布有大量的叠层石，如北非毛里塔尼亚、南非、印度、阿富汗；中国的蓟县、神农架，都存在大量的叠层石，叠层石几乎无处不在。因此上述4种地理环境特征，在当时是全球普遍存在的。

根据叠层石的生存环境特征可知，叠层石是生长于静水之中的产物，因此不少学者认为，叠层石生长在泻湖之中。持泻湖观点的认为，在湖的外围有条坝，将泻湖和大洋隔开；坝上只有一个窄小的通道，使潮汐通过，却能将海流和海浪挡在坝外。但是，假设叠层石生长于泻湖中，由于叠层石生长于潮坪地带，也就是泻湖里的海水同大洋一样潮起潮落。泻湖里的潮差应为1m，那么泻湖每天要更换1m深的新鲜水。元古代的叠层石都生长在较浅的地表海里，水深在20m以内，那么泻湖里的水20天就要被更换一遍。

由于元古代深海里没有燧石沉积和碳酸盐岩沉积，因此大洋里的硅酸和碳酸盐是不饱和的。如果泻湖的水被大洋水快速地更换，泻湖里的硅酸和碳酸盐就不能饱和，因此燧石和碳酸盐在泻湖里就不能沉积下来。这和实际情况是不符的，因此说，认为生长于潮坪地带的叠层石是生长在泻湖里的观点是错误的。由于元古代，全球各地的叠层石基本上都生长于潮坪地带（有潮水的地方），因此，元古代的叠层石都不生长于泻湖内，是生长于大洋的正常的海滨地带，是开放的海，而不是封闭的。

根据叠层石的指示特性，已知叠层石所处海域没有海浪和海流，元古代的叠层石又都生成于开放海，说明没有海浪从大洋传播过来，也没有海流从大洋流过来。这种现象的解释是：整个大洋是滞流的，大洋的水体近乎于静止，没有像太平洋赤道海流、黑潮、墨西哥湾流这样的海流。由于这些海流是靠赤道信风来推动的，因此推断赤道信风也没有。整个大洋里没有海浪，说明大洋里没有赤道信风、西风带这样的大型风场，也没有高强度的台风。因为这3种风，任何一个存在，都会在大洋里掀起大浪，并传播到大洋的各个角落。

低纬度地区也是赤道幅合带覆盖的地区，是全球降雨量最多的地区，根据叠层石的指示，在元古代，低纬度地区没有河流。降雨量多的地区尚且如此干旱，其他地区年降雨量就更少了。因此降雨量少是全球普遍存在的，同时证明，赤道幅合带也不存在。

在海洋里，洋流和渔场是一对密不可分的孪生兄弟，洋流沉降的地方必然是渔场所在地，而且渔场里的海洋生物量同洋流沉降的流量成正比关系。本来海流是在风力的作用下形成的，但在暖流、黑潮或湾流与寒流汇合的地方，由于黑潮像树枝一样分出很多支流，流向四面八方，并有寒流迎面“驶”来，此时海流的流向，同风的流向完全不一致，甚至相反，因此说明此时海流的流向，已不受风的控制。这些都证明海流是在元古代之后形成的。

黑潮和来自北极的寒流在日本的东北部汇合，形成黑潮水域和寒流水域，中间夹着漩涡状的混合水域，黑潮弯曲着向东流去。寒流先潜入混合水域下，然后进入暖流的下层，并同暖流一起向下游流去。由于寒流在暖流的下层，形成极大的温差。巨大温差使寒流温度很快升高，由于寒流的含盐量低，寒流的密度相对于周围水体很快变小、变轻，于是上升到海水表面。寒流水在上升过程中，经过暖流，使暖流温度降低。由于暖流海水含盐量高，于是暖流水密度变大、变重，沉入海底。由于这里海洋生物和鱼特别多，生物的扰动又加速了海水的混合。混合水域中，生物量巨大，包括大量的藻类，藻类释放出大量的氧气，因此，混合水域里300m深处以上的水层里的含氧量极高，平均达到5L氧气/1t海水，这些氧气使海水的密度降低了0.5%，正因如此，寒流才潜入混合水域300m深处的位置，位于含氧量高的水层的底部。

只有寒流下潜，才能使暖流和寒流在上下层之间进行迅速的垂直混合，使暖流垂直下沉。如果寒流不下潜，和暖流在海洋表面平行并流，要想在水平方向进行混合是不可能的，海流也就无法下沉。而寒流下潜是在海洋藻类释放的氧气的帮助下，使混合水体变轻后才完成的，因此说，海洋生物在海流沉降过程中起着不可缺少的决定性作用。而海流沉降是大洋环流的一个必要环节，因此，没有海洋生物，就没有大洋环流。

厄尔尼诺现象证明海流和大气环流之间有密不可分的关系，由此可见，生物圈、河流、海流和大气环流相互有机融为一体，构成一个完整的、有机的系统。

到了7亿年前的震旦纪，出现地史上第一次大范围冰川，说明地表的降雨量增大，地层里的黏土岩和砂岩比例开始增多，并逐渐占据主要比例。因此说明，这时地表的风化能力和搬运能力增加了，即风力增大，河流和海流出现，同时海浪增大。这样的气候和地理环境已不适合叠层石生存，因此说叠层石在7亿年前迅速衰落是由于气候和地理环境变化造成的。

最新发现最近，中科院南京地质古生物研究所、国际志留委员会副主席、中科院院士，博士生导师戎嘉余等专家一行9人，在黔北地区桐梓县进行地质工作考察时，在该县代家沟和茅石乡两地发现了4亿多年前由菌藻类形成的水平状叠层石。据称，该“叠层石”系华南地区首次被发现，这也是世界上第五次被发现，在地质史上极具重大意义。

叠层石”它的主要价值在于：用它来划分、对比某一地区的地层、地理、生物，环境的演变及灭绝规律。它曾被海内外地质学家推崇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”、“大地的史书”。用它雕刻出来的作品具有很高的艺术价值，党和国家领导人曾以叠层石作为馈赠国际友人的高级礼品。

据介绍，专家组在对桐梓县红花园“全球型浅海相地质剖面”的辅助点——代家沟进行为期一周的野外标本采集后，竟在该县石牛栏组发现了在4亿多年前由菌藻类形成的水平状叠层石。同时，专家组在该县茅石乡也发现了一处。据戎嘉余专家介绍，这是秦岭以南、淮河以西地质的华南地区首次被发现，也是世界上第五处被发现，在地质史上有极其重大的意义。

影响“成铁”叠层石，即蓝藻，是靠光合作用自养的。由于光合作用，这种一度统治了地球的生物产生了大量的氧气。

而当时地球的海洋里有大量的铁元素。铁被氧化后便从水中分离出来，沉积在海底，经过数百万年形成了如今的各大铁矿 。

21%的氧叠层石最大的功劳却不是“成铁”，而是产生了地球大气中约21%的氧气。

在这些晦暗的石头上，充满了生命，每平方米的岩石上生活着36亿个微生物，它们在释放氧气。花了20亿年的时间，大约40%的地球历史，大气中的氧含量才接近20%。

海洋中所含的铁并不能阻止氧气浮出海面。在这些铁元素被氧化殆尽后，几乎覆盖了所有海洋浅滩的叠层石一如既往的产生着大量的氧气。当这些氧气破水而出时，地球不再是一颗被火山气体覆盖的星球，而是一支焕然一新的宜居的生命的摇篮。

可以说是叠层石产生的氧使地球适宜孕育更多的高等生命，它为此后的生物进化扫清了大气无氧的障碍，为生命史的下一章也是更复杂的一章铺平了道路。

可以说，叠层石默默工作20亿年，是地球能够进化出复杂生命的关键。

本词条内容贡献者为:

张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院