(一)概念

埋藏在巖層中的古代生物遺體或遺跡稱為化石。動物的骨骼、甲殼、足跡、蛋、糞以及植物的根、莖、葉或其痕跡也均可成為化石。一般保存為化石的生物實體，都已不同程度地受到地質(zhì)作用改造，如被某種礦物質(zhì)(如碳酸鈣、二氧化硅、黃鐵礦等)充填或交代而石化，或生物遺體中所含不穩(wěn)定成分揮發(fā)逸去，僅留下碳質(zhì)薄膜等。盡管如此，生物遺體的結(jié)構(gòu)可以保持不變。生物的演變是從簡單到復(fù)雜、從低級到高級不斷發(fā)展的。因此，一般說來，年代越老的地層中所含生物越原始、越簡單、越低級，年代越新的地層中所含生物越進步、越復(fù)雜、越高級。另一方面，不同時期的地層中含有不同類型的化石及其組合，而在相同時期且在相同地理環(huán)境下所形成的地層，只要原先的海洋或陸地相通，都含有相同的化石及其組合，這就是生物層序律。

圖2-1 地層層序正常時相對年代的確定

a．地層水平;b．地層傾斜

1—5表示地層從老到新的順序

圖2-2 地層層序倒轉(zhuǎn)時相對年代的確定(遭受剝蝕)

1—5表示地層從老到新的順序

綜合地層層序律與生物層序律的規(guī)律并加以運用，就成為系統(tǒng)地劃分和對比不同地方的地層，恢復(fù)地層形成順序的基本方法，從而為研究生物的演化階段和全過程奠定了基礎(chǔ)。圖2-3表示了根據(jù)巖性、化石和地層層序等特征，劃分和對比甲、乙、丙3個地區(qū)地層的情況，以及在地層劃分和對比的基礎(chǔ)上，通過恢復(fù)3個地區(qū)完整的地層形成順序而建立起來的綜合地層柱狀圖(圖2-3)。

應(yīng)該指出，有些生物對環(huán)境變化的適應(yīng)能力很強，雖經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史，但它們的特征沒有明顯變化。如舌形貝(lingula) 在5億多年前即已在海洋中出現(xiàn)，至今仍然存在。因而這種化石對于確定地層年代意義不大。對于研究地質(zhì)年代有決定意義的化石，應(yīng)該具有在地質(zhì)歷史中演化快、延續(xù)時間短、特征顯著、數(shù)量多、分布廣等特點，這種化石稱為“標(biāo)準(zhǔn)化石”(indexfossil)。

(二)古生物化石確定地質(zhì)時間

1. 古生物化石的概念

通常使用的“化石”一詞實際上是一個貶義詞。但正像我們現(xiàn)在了解的一樣，最初這個詞是指地下挖出的一切物體?！盎币辉~來自拉丁文，意思是指地下挖出的東西，因此地下挖出的各種巖石和礦物以及動植物的遺體都稱為“化石”。后來“化石”一詞就只限于指巖石中那些石化了的動植物遺體。最初，人們把各種各樣的生物化石視為珍寶或古董。1769年，貝林格教授發(fā)表了《維爾茨堡石印》一書，在這本書中他認真系統(tǒng)地“描述”和“說明”了200個“化石”。但遺憾的是，所描述的標(biāo)本都是偽造品。這些“化石”很可能是他的學(xué)生安排的“惡作劇”，把這些標(biāo)本埋于教授的“化石”采集地?！毒S爾茨堡石印》一書一出版，貝林格教授就發(fā)現(xiàn)自己上當(dāng)了，為了挽回影響和自己的名譽，他幾乎買下了出版商的全部庫存書，并把這些書封藏起來。不過，當(dāng)貝林格教授死亡以后，仍有不少書留在世上。這些偽造品就是德國著名的Lügensteine，字面的含義是“騙人的石頭”。1731年，謝切爾把一個巨大的爬行動物描述為“類人猿”(Homo tristis)，他認為這個爬行動物是人類的骨架。類似這樣的誤解和錯誤還能例舉出許多。不過，正是類似這種有意義的發(fā)現(xiàn)，引起了人們對地球上棲息過的生命演替的了解。著名的地質(zhì)學(xué)家史密斯指出，地層中含有的某些特有化石分子能指示出比較確切的地質(zhì)年代，故把它們稱為“標(biāo)準(zhǔn)化石”。

圖2-3 地層劃分與對比及綜合地層柱狀圖

柱狀圖右側(cè)標(biāo)出的符號代表不同的化石及其組合，不同的層位有不同的化石組合，圖中同一年代的地層用虛線相連

2. 古生物化石的形成

現(xiàn)在，我們有必要了解一下生物的遺體是如何在漫長的地史時期保存下來的。一般來說，生物一旦死亡，其有機部分就會很快腐爛。在有氧的情況下，氧化作用就會緩慢地進行，最后的產(chǎn)物是氧與氫、碳、氮、硫、磷的簡單結(jié)合物。然而在缺氧的情況下，可能會出現(xiàn)發(fā)酵現(xiàn)象，從而產(chǎn)生碳和氮的混合物。有時有機物腐爛氣體的釋放通道孔還保存在沉積巖中。此外，生物死亡堆附近生活的細菌以及其他有機生命也能引起生物遺體的腐爛。一般來說，生物體的硬體部分較軟體部分耐腐蝕，也容易保存和埋藏于沉積物之中。在比較好的保存條件下，一些完整的生物體或者是部分生物體可以它們的原有形態(tài)保存下來(圖2-4、圖2-5)。這種現(xiàn)象常發(fā)生在永久的凍土地區(qū)，如西伯利亞冰期保存下來的完整猛犸象化石。鹽類滲入、石油和石蠟對生物組織的浸染能起到類似的效果。波蘭南部斯塔魯尼亞發(fā)現(xiàn)了保存十分完好的披毛犀就是其中一例。當(dāng)生物遺體經(jīng)搬運以后，就會出現(xiàn)破損或侵蝕現(xiàn)象，以致變得難以辨認。但是，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，大量的動物遺體能夠堆積下來埋藏于沉積巖中。典型的實例有淺水或近岸殼灘、多種貝殼化石層和“貽貝帶”。

圖2-4 保存完好的三葉蟲化石標(biāo)本

圖2-5 保存完好的狼鰭魚化石標(biāo)本

在多數(shù)情況下，化石往往又是巖層中比較重要的組成部分。隨著上覆沉積物的不斷覆蓋，下伏沉積物就漸變?yōu)橹旅軤?，爾后?jīng)沉積壓實作用成為巖石?；矃⑴c了這一系列的變化。隨著壓力的增加，巖石發(fā)生的最重要的變化表現(xiàn)在巖石孔隙度縮小和巖石的脫水作用，這個過程伴有一系列的化學(xué)反應(yīng)。在這里我們不去深入討論，但我們要知道這個過程就是巖石的成巖作用和化石的石化作用。值得一提的是，這種過程要歷經(jīng)漫長的地質(zhì)時期。很顯然，化石只保存在最良好的環(huán)境下，而且只限于沉積環(huán)境之中，不會在火成巖中出現(xiàn)。火成巖是巖漿冷凝結(jié)晶以后形成的，沉積巖則主要形成于海水或湖泊，且大多數(shù)化石曾生活于水體中。大陸上的動物死亡以后，就會馬上分解掉，保存為化石的情況往往很少。

3. 古生物化石的用途

絕大多數(shù)化石是埋藏于沉積物中的生物遺體的硬體部分，并且經(jīng)歷了化學(xué)作用的改造。比如硅化或鈣化后的化石，常經(jīng)得起敲打。生物遺體迅速埋藏以后，就會被礦物的微小顆粒轉(zhuǎn)換。有時，生物的硬體部分也可能被分解掉，在圍巖中留下有機體形態(tài)的空洞。比如，軟體動物的外殼分解以后，常充填了泥、黏土和砂等物質(zhì)，但這些鑄模仍保持了原來化石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的特征。碳化作用對于植物化石的保存起著特別重要的作用。在空氣缺乏的情況下，植物的纖維組織可以還原為碳質(zhì)，煤就是以這種方式形成的。含煤地層中含有極豐富的動植物化石遺體，特別是晚古生代石炭紀(jì)煤層和早新生代第三紀(jì)(古近紀(jì)+新近紀(jì))的褐煤地層中。煤層的頂?shù)装屙搸r中常保存有十分完好的植物葉、果實、枝和莖的印痕。有的化石很小，往往只有借助顯微鏡才能看到它們，我們把它們稱為“微體化石”。別小看這些很小的化石，它們對于尋找石油等沉積礦產(chǎn)具有十分重要的價值。因為它們可以確定沉積地層，特別是對中生代以來的地層極為有用。地球上一切生命的單向發(fā)展或演化均為地質(zhì)年代提供了極其寶貴的“日歷”，因此地質(zhì)學(xué)能夠和生命的演替緊密結(jié)合起來，構(gòu)成生物地層學(xué)。

化石不僅僅是保存在沉積巖中引人注目的“古董”或美麗的“物品”，更重要的是它能夠記錄整個生物世界的演變過程，而且還能提供“地史日記”以及沉積巖所記錄地質(zhì)事件的線索。今天的古生物學(xué)再也不是中世紀(jì)私人收藏化石標(biāo)本的時代了。比如說，現(xiàn)在已能夠借助質(zhì)譜儀測出某些化石外殼的兩個氧同位素的含量。同位素具有相同的質(zhì)子數(shù)，但中子數(shù)卻大不相同，因此它們的原子質(zhì)量數(shù)各有千秋、相互迥異。有機質(zhì)體系中輕、重同位素的比率取決于溫度的高低，因此根據(jù)化石外殼同位素的比率就可以測出當(dāng)時其生活的溫度。