1．2．2　研究方法

地球系統(tǒng)科學可分為研究、觀測、信息、管理四個體系，作為其組成部分的生物地質(zhì)學也可分為相應(yīng)的四個體系。

1．2．2．1　研究體系

1．多學科綜合研究　生物地質(zhì)學過程是在一個很寬的時空尺度上進行的，從池沼藍藻快速釋放氧氣，到海洋浮游生物群落和熱帶雨林中碳的循環(huán)，再到大滅絕后生態(tài)系統(tǒng)的重建。對發(fā)生在這樣一種寬廣時空尺度中的復雜相互作用，需要采用多學科綜合方法，將生態(tài)系統(tǒng)及其各組分當作整個地球系統(tǒng)的組成部分加以研究。

多學科包括分子生物學、古生物學、地質(zhì)學、地層學、沉積學、地球化學及生物地球化學、(古)海洋學、(古)氣候?qū)W、大地構(gòu)造學等。由于地球是非線性、多重耦合的復雜系統(tǒng)，對這些學科要注意應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)、分形幾何及混沌動力學等非線性科學，從整體及各子系統(tǒng)的行為與過程中探索眾多地質(zhì)及生態(tài)因子間的相互作用，及各種非線性耦合與相關(guān)效應(yīng)。只有依靠生物學、地質(zhì)學和地球化學等領(lǐng)域多學科的理論探討，以及下述新技術(shù)發(fā)展及多種方法的應(yīng)用，才能取得重要的科學突破。

2．應(yīng)用當代實證科學方法——觀察、分析闡述、建模、確證和預測

(1)觀察和分析。充分利用當代全球變化研究所獲實際數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)條件將今論古;堅持定量化，許多假說只有定量地確定各種作用的強度和影響，才能得出較明確的結(jié)論。在方法上要注意建立高精度的時空框架，這在地史時期的生物地質(zhì)學研究中特別重要。要在比較精確的生物地層、磁性地層、同位素年代學對比基礎(chǔ)上，按最細分層測量取樣，利用層序地層學方法、米蘭柯維奇旋回方法(磁化率等)、事件地層學方法(凝灰?guī)r層等)建立10年至萬年級別的時空框架，并進行高精度的國際對比。

在研究的各環(huán)節(jié)堅持半定量和定量化。具體途徑是:充分收集和利用現(xiàn)代研究所獲的實際數(shù)據(jù);充分使用已證明可行的定量方法，如在生態(tài)地層學中發(fā)展的群落-水深-環(huán)境轉(zhuǎn)換法、國際上新興的古生態(tài)函數(shù)轉(zhuǎn)換法(測古水溫)、平衡剖面法等。

(2)模式檢驗和模擬研究。充分利用當代實證科學建立的模式:海洋透光帶模式、水文循環(huán)的生物學模式、陸地生態(tài)系統(tǒng)模式、全球生物地球化學循環(huán)模式等，對照古代條件加以檢驗、改進，建立古代模式，利用上述模式進行實驗室模擬和計算機的模擬，半定量至定量地再造古環(huán)境，如生物成巖、成礦實驗及盆地模擬。

(3)設(shè)定多參數(shù)、動態(tài)、開放系統(tǒng)，進行驗證和預測。地球表層是高速變化、并向宇宙和全地球開放的，相關(guān)的現(xiàn)象具有復雜的因果關(guān)系，故需對研究對象設(shè)定多參數(shù)的開放環(huán)境，按不同情況建立多種模式并進行相應(yīng)的驗證和預測。

3．將今論古，以古啟今　生物地質(zhì)學研究的時間尺度分為長過程(數(shù)千年至數(shù)百萬年的過程，由地球內(nèi)能和太陽輻射的外能所驅(qū)動)和短過程(數(shù)十年至數(shù)世紀的過程，由物理氣候系統(tǒng)、生物地球化學循環(huán)和日益增長的人類活動所主宰)。生物地質(zhì)學研究既可以就短過程——現(xiàn)代生物圈—地圈進行，也應(yīng)當從古今比較研究入手。后者之所以需要，是因為地質(zhì)時期和現(xiàn)代的生物圈與地球的關(guān)系，在研究方法和目的方面有相互依存性。長過程——地質(zhì)時期各圈層變化的相互作用及因果關(guān)系很難實驗，需要用短過程——現(xiàn)代生物圈與其他圈層相互作用的實際過程對比、加以論證?，F(xiàn)代各圈層的相互作用只代表地質(zhì)一瞬間，它的時間效應(yīng)及中、長期后果，需要與地史變化作比較才能預測。有些生物地質(zhì)學問題，僅靠對現(xiàn)代系統(tǒng)的年度或10年觀測結(jié)果，加上理論分析，不可能解決，而通過地質(zhì)記錄，卻可在較長的時間尺度和與現(xiàn)代不同的多種地球系統(tǒng)狀態(tài)中，使這些問題得到解釋。

例如，許多人認為當代已進入又一個滅絕期，但對進入的程度、長期后果等均不清楚;而古、中生代之交卻顯示了生物群衰退—滅絕—復蘇的全過程，以及整個過程中的環(huán)境劇變;這可以為當代提供多方面的參照系。又如，北美許多物種是獨立地遷徙的，并不是與其他生物結(jié)合成一個群落，為響應(yīng)末次冰期鼎盛期以來的氣候變化而進行遷徙的。這只能通過化石記錄而顯示出來，而該結(jié)果對了解自然和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)具有重要意義?？梢姡ㄟ^古今互補才能達到闡明生物圈地史演變規(guī)律和當代全球變化趨勢這一目的。

因此，生物地質(zhì)學研究仍需借助傳統(tǒng)的地質(zhì)學和古生物學方法，如對區(qū)域性的和重要的地層層段的野外研究，對重要生物門類進行系統(tǒng)分類和種系發(fā)育研究，對博物館、書面記錄和電子媒介中保存的現(xiàn)有資料和數(shù)據(jù)進行重新鑒定、評估和開發(fā)，以取得新的關(guān)于生物類別和生態(tài)系的組成、地理位置、環(huán)境、年代和演化史等方面的信息。

1．2．2．2　觀測體系

近年來涌現(xiàn)的新技術(shù)、新方法已使我們能進入過去不可想像的研究領(lǐng)域，應(yīng)當注意應(yīng)用它們?yōu)樯锏刭|(zhì)學服務(wù)。

1．生物技術(shù)　它是應(yīng)用自然科學及工程學原理，依靠微生物、動物、植物體作為反應(yīng)體，對物料加工以提供產(chǎn)品的技術(shù)，如基因工程、蛋白質(zhì)工程以及其他分子技術(shù)。它為開展下列生物地質(zhì)學研究提供了手段:①評價現(xiàn)代和古代環(huán)境中生物和新陳代謝的多樣性;②追蹤與生命進化相關(guān)的物種間基因轉(zhuǎn)變的作用;③評估主要微生物、植物和動物種群之間及其內(nèi)部種系的發(fā)生關(guān)系;④解釋形態(tài)變革的力學基礎(chǔ)。

2．化學和地球化學技術(shù)　固體、表面、溶液和有機分析技術(shù)與傳統(tǒng)方法和分子生物學方法的結(jié)合，可被用來:①處理痕量元素和有毒元素在溶液、固體和生物圈儲層之間循環(huán)的動力學問題;②解釋生物成礦作用的機制和有機體的微生物降解作用的途徑;③研究宏觀生物的生態(tài)學問題(通過分析骨骼、牙齒和殼);④開發(fā)生物地球化學作用過程的運動學模型。

生物遺骸和化石分析的分子和同位素技術(shù)，可用于追溯大氣中CO₂和O₂的濃度，并區(qū)分海洋中的水量及其在地質(zhì)歷史中的運動。這些技術(shù)與擴展的計算機模型相結(jié)合以及對海洋和大氣環(huán)流更深刻的認識，將極大提高對有關(guān)影響氣候以及影響環(huán)境中重要元素和分子的地球化學和生物學循環(huán)因素的認識。

3．地質(zhì)學方法　一方面，高精度、微量和超微量的放射和穩(wěn)定同位素測定，再配以年代內(nèi)插(如根據(jù)周期性軌道驅(qū)動函數(shù))、數(shù)據(jù)綜合、間隙效果的量化等新方法，可大大提高地質(zhì)年代測定的精確度。另一方面，第四紀的深海沉積、冰芯、黃土-古土壤、石筍，提供了精細定年的材料，現(xiàn)在已有可能對第四紀進行千年級、百年級以及更精細的定年。前第四紀的地層，依靠同位素測年、化石帶、旋回地層學(米蘭柯維奇旋回)、磁性地層學等的結(jié)合，亦可提供精確到萬年級的時間框架。

1．2．2．3　信息體系

作為地球系統(tǒng)科學組成部分的生物地質(zhì)學，其研究必須建立和依靠全球性、全國性和區(qū)域性的信息體系。國際的信息體系已經(jīng)由諸多國際計劃建立。例如，全球變化計劃框架包括國際地圈—生物圈計劃、國際生物多樣性計劃、全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)計劃(GCTE)等，生物地質(zhì)學信息可以通過它們的出版物及其網(wǎng)站獲得。我國也正在建設(shè)可以資源共享的地學信息系統(tǒng)平臺。我們自身要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并使之匯入上述信息體系。同時又要及時充分地利用上述信息體系。否則其工作將事倍功半，會日益拉開我國與國際的差距，同時又不能為人類和國家的目標服務(wù)，失去其工作的意義。

1．2．2．4　管理體系

基于對地球系統(tǒng)及其生物地質(zhì)作用的科學認識，人類應(yīng)當從人文社會科學角度研究對策，例如上述全球變化計劃框架還包括全球變化的法制因素(IDGEC)等諸計劃，它們形成第四個體系，即管理體系。限于篇幅，本書將不涉及這方面內(nèi)容。