古生物地层学基础课件

1、第十五章 古生物地层学基础 古生物学和地层学是既独立而又密切相关的两个学科，古生物地层学是上述两学科综合交叉学科。 第一节 古生物学基础 第二节 地层学简介第一节 古生物学基础一、古生物学(Palaeontology)概念 1定义 研究地质历史时期的生物界及其发展的科学，是生物学（Biology）的一个分支。2. 研究内容 包括各地史时期地层中保存的生物遗体和遗迹，以及一切与生物活动有关的地质记录。 其研究工作包括化石的采集和挖掘、处理和复原、鉴定和描述，在这些工作的基础上进行分类，进而研究各类生物的生活方式、进化规律等。 古生物指的是地史时期的生物。 现代生物与古生物在时间上并无严格的界线，

2、目前一般把全新世以前(约一万年以前)的生物归为古生物范畴。 古生物学研究对象是化石。 二、化石 1定义 保存在岩层中地质历史时期的生物遗体和遗迹。 含义包括： （1）必须具生物特征，如形状、结构、文饰和有机化学成分等； （2）或反映生物生活活动遗留下来的痕迹。 The same individual/species can produce different structures corresponding to different behavior patterns一物多迹Multiple architects may produce a single structure多物一迹 2. 化石

3、形成和保存条件 （1）生物自身条件 生物应具有硬体（如贝壳、骨骼、纤维等），生物个体丰富。 （2）生物死亡后的时间和环境因素 生物死亡后应被迅速掩埋，以免腐烂、毁坏，或被其他动物吞食、细菌腐蚀等。还原条件下有机质容易保存下来。 （3）埋藏条件 化学沉积物、生物成因的沉积物容易形成化石。 （4）成岩作用条件 压实作用和结晶作用会影响石化作用和化石的保存。只有压实作用较小且未经严重的重结晶作用，才能保存完好的化石。 3. 化石化作用 指埋藏在沉积物中的生物体在成岩作用中经过物理化学作用的改造而成为化石的过程。 1）矿质充填作用 矿物质填充在生物硬体的空隙中，使硬体变得致密、坚实。 多为钙质，如新生

4、代脊椎动物。 2）置换作用 在埋藏情况下，原来生物体的组成物质逐渐被溶解，而由外来矿物质逐渐补充的过程。常见的包括硅化、钙化、白云石化和黄铁矿化等。 3）碳化作用（Carbonization）或升馏作用 埋藏后生物遗体组分中不稳定的成分（H、N、O等）经分解和升馏作用而挥发消失，只留下碳质薄膜而保存为化石的过程 ，如笔石等。 4. 化石的保存类型 （1）实体化石（Body fossils） （2）摸铸化石(Mold and cast fossils) （3）遗迹化石 （4）化学化石（或分子化石Molecular fossils）（1） 实体化石 指古生物遗体本身几乎全部或部分（尤其是硬体部分）

5、保存下来的 化石，如琥珀中的昆虫、冻土中猛犸象等。 （2） 模铸化石 生物遗体在岩层中留下的印模和铸形物等的总称。据其与围岩关系，又可分：a.印痕化石（Impression fossils）；b.印模化石，包括外模(External mold)和内模(Internal mold)；c.模核化石，包括外核(External core)和内核(Internal core)；d.铸型化石。（3） 遗迹化石 保存在岩层中的生物生活活动的痕迹和遗物。如足迹、爬痕（迹）、潜穴，排泄物、蛋，古人类的劳动工具、文化遗迹等。 （4） 化学化石 目前还不统一。古生物的遗体有的虽被破坏未保存下来，但组成生物的有机成

6、分经分解后形成的各种有机物，如氨基酸、脂肪酸等仍可保留在岩层中。这种视之无形，但具有一定化学分子结构并足以证明过去生物存在的化石就称之。 随着近代化学分析技术的进步，逐渐发展成一门新兴学科古生物化学。 5. 化石用途 1）探索生命的起源，研究生物进化； 2）推断相对年代(地质年代)，研究地史演化； 3）推断古地理、古气候。1. 古生物的分类单位 现代生物种类在180万种左右。古生物种类同样很多，为便于系统研究，必须进行科学的分类。 与生物学相同，目前多沿用两个界（Kingdom）的划分，即动物界、植物界。 界以下再分门(Phyium)，纲(Class) ，目(Order)，科(Family)，

7、属(Genus)，种(Species)等单位。 各主要单位还可以再分为亚门、亚纲、亚目、亚科、亚属、亚种；或合并成超门、超纲、超目和超科。 三、古生物的分类与命名 种（物种）是生物学和古生物学的基本分类单元，它不是人为规定的单位，而是生物进化过程中客观存在的实体。其基本特征是： （1）具共同的形态特征； （2） 构成一定的居群； （3） 居群具有一定的生态特征； （4）分布在一定的地理范围（故可分出地理亚种等）。 2古生物的分类原则 同一单位内的成员应是： （1）同源的，即有共同的祖先； （2）有亲缘关系； （3）性状分异程度较小。 以家犬为例可表示为： 动物界-脊索动物门-哺乳纲-肉食目-犬

8、科-犬属-家犬（种）古生物界按门的系列可表示如下：动物界： 原生动物门、海绵动物门、古杯动物门、腔肠动物门、蠕虫动物门、苔藓动物门、腕足动物门、软体动物门、节肢动物门、棘皮动物门、脊索动物门。植物界： 低等植物：澡类、菌类； 高等植物：孢子植物：苔藓植物门、蕨类植物门； 种子植物：裸子植物门、被子植物门。 3. 古生物的命名 根据国际规定，生物各级分类单位均采用拉丁或拉丁化文字。 属以上单位的命名用一个字表示（单名法），种名则用两个字表示（双或二名法），即完整的种的学名=属名+种名。 为了查阅方便，种名后还要注以命名者的姓氏，如Fusulinella bocki Moeller(薄克氏小纺锤蜓

9、)是蜓类一个种的学名，Fusulinella是属名(首字母须大写)、bocki是种名(首字母小写)、 Moeller是定种人的姓(首字母大写)。 1生命的起源问题 当代科学研究的重大问题之一。 恩格斯曾指出：“生命的起源必须是通过化学途径实现的”即元素的化学进化论，已被大量科学实验所证实。 无机元素（C、H、O、N）合成低分子有机化合物（如甲醛、脂肪酸、氨基酸等）合成高分子有机化合物（如聚甘氨酸、多糖、类蛋白质等）合成多分子体系（如蛋白质-核酸、蛋白质-糖类等团聚体）（这种多分子体系具有与周围环境交换物质的性质、呈现初步的生命现象）？生命。四、生物的演化 2. 生物的萌芽阶段（太古代：4000

10、Ma-2500Ma） 太古代时，开始出现一些原始的单细胞菌、藻类生物，这些生物形态简单，基本无性别、无真正的细胞核。 已知最古老的化石发现在南非早于3200Ma的地层中，是一些微小的（5-25m）原始菌、藻类的球状、丝状体。 太古代可认为是细菌、蓝藻发展初期。元古代（2500-590Ma）开始，藻类植物大量发展，并开始出现原始动物。以下按植物界、动物界分别讨论他们的演化史。 3. 植物界的演化 元古代（2500-590Ma）：原始菌、藻类时代 主要由微古植物和叠层石两大类组成，广泛分布在海洋中。 微古植物 单细胞的菌、藻类有机体，形态简单，个体小。 叠层石一层层的藻类、细菌和碳酸钙一起沉积，经

11、成岩作用形成的集合体。叠层石古生代（590-250Ma） （1）早古生代（590-410Ma）: 海生藻类时代 有红藻、绿藻、轮藻等。 S末开始出现陆生植物（由绿藻进化而来） （2）晚古生代（410-250Ma）：蕨类（孢子）植物时代 最早的陆生植物为蕨类植物中的原蕨类（半水半陆的裸蕨植物），由于不能适应大陆环境，在D末就绝灭了。 随着对大陆环境的适应，以及植物体内部机构的完善，陆生植物迅速发展与进化。石松、有节、真蕨等蕨类植物极其繁盛，组成大片森林，成为地史上首次陆生植物成煤的物质来源。 中生代（250-65Ma）：裸子植物时代 裸子植物的进步类型苏铁、银杏、松柏类获得爆发性发展，统治了植物

12、界。苏铁类、银杏类植物有“活化石”之称，其种属已所剩无几。裸子植物以种子繁殖，但种子裸露为特征。在晚侏罗世（约145 Ma）开始出现被子植物，在辽西地区发现的辽宁古果是世界上最早的被子植物化石之一。 新生代（65Ma-现在）：被子植物时代 被子植物是最高等的陆生植物，以种子繁殖，但种子包在子房之中，从晚白垩世开始渐居统治地位。到了新生代，被子植物迅速发育，遍及全球，形成了现代植物界中种类最多、形态结构复杂、分布广泛、生活习性多样的庞大类群。 总结： 元古代（2500-590Ma）：原始菌、藻类时代 早古生代（590-410Ma）：海生藻类时代 晚古生代（410-250Ma）：蕨类（孢子）植物时

13、代 中生代（250-65Ma）：裸子植物时代 新生代（65Ma-现在）：被子植物时代 4. 动物界的演化（变） 最早动物出现在元古代晚期，为无脊椎动物。 我们现在所看到的海螺、田螺、贝壳、昆虫等都是无脊椎动物。 古生代（590-250Ma） （1）早古生代（590-410Ma）：海生无脊椎动物时代 几乎所有的海生无脊椎动物门类都已出现，以寒武纪初期生命大爆发为起点，其中最为繁盛的是三叶虫、笔石、头足类、腕足类及珊瑚等。 注：三叶虫、笔石在志留纪末时大多已绝灭，由于其数量多、演化迅速，因此可作为早古生代重要标准化石之一。 标准化石：具有在地质历史中演化快、延续时间短、特征显著、数量多、分布广等特

14、点，对于研究地质年代有决定意义的化石。 三叶虫 节肢动物门（Arthropoda），是节肢动物门中化石最多的一类（约2000个属，1万多种），为海生底栖或漂游。身体扁平，身体纵向上可分为头、胸、尾三部分，向上分为中间的轴部和两侧的肋部，均是三分，故得名三叶虫。 现代虾、蜘蛛、蚊、蜻蜓等都属节肢动物，节肢动物对环境的适应性非常强，几乎遍布地球所有生态领域。节肢动物一般雌、雄异体，卵生，一直繁衍延续至今。笔石 属笔石纲。多为浮游生活（仅树形笔石目中大部分是固着生活）。出现于寒武纪（最早笔石化石发现于中寒武世），繁荣于奥陶纪、志留纪。因化石形状酷似写在岩石上的文字笔迹，故得名。笔石的种类较多，如对笔

15、石、单笔石、树笔石等（P291图）。主要构造有线管、胎管、笔石枝，笔石枝数目不等，多见二枝、四枝、单枝，笔石枝上连续生长许多胞管。角石、菊石（鹦鹉螺类及菊石类） 海生底栖爬行或游泳生活，具钙质外壳，故保存为化石。 角石：具直锥形，外形象牛角，纵切面见隔壁；最早见于晚寒武，O最盛， S以后减少，现代可见； 菊石：平旋壳，最早见于D1，中生代最盛， K末绝灭。腕足类 浅海底栖动物。具有两片硬壳，两片硬壳一大一小，但每片都是左右对称，壳质主要是钙质等。群居，种属较多，现代腕足类动物在世界各海域都有发现。在水深200米左右种数最多，一般生活在35正常盐度、避光、安定的环境中。 是古生代海相地层中的一类

16、重要化石。珊瑚 腔肠动物门，海生。一般生活在180米深处以内、温暖、正常浅海里，少数可生活在深海低温环境。 按生态可分为二类： （1）共生型珊瑚（Hermatypic coral），或称造礁型珊瑚。其适应性很窄（20-30、盐度正常、海水清洁、水深小于100米），在水深20米左右、水温25-29的清澈动荡环境，珊瑚礁最发育。因此，现代造礁珊瑚只分布在赤道南北280纬度之间的温暖浅海中。 （2）非共生型珊瑚（ahermatypic coral），或称非造礁型珊瑚。多为单体单带型珊瑚，其生态适应性较广。5亿年前 晚古生代（410-250Ma）：脊椎动物从水到陆的飞跃 D：鱼类时代鱼类特别发育，有的

17、逐渐演化为两栖类。当时的两栖类具有较坚固的头板，故为两栖类中的坚头类（亚纲），属于原始的两栖类，广泛生活在成煤沼泽环境。 C-P：两栖类动物时代两栖类空前繁盛。有的进一步进化为爬行动物（真正的陆生动物），最早的爬行动物叫林龙，生活在晚石炭世早期（约3.2亿年）。 4亿年前3亿年前 晚古生代时，海生无脊椎动物继续演化，三叶虫、笔石绝灭，而珊瑚类、腕足类和蜓类繁盛。 蜓类分布时限短、演化迅速、地理分布广泛，是C-P重要的标准化石之一，我国蜓类化石带发育最为完整。 蜓 （1）属原生动物门（Protozoa）。又名纺锤虫，是一种已经绝灭的的大型有孔虫。主要营底栖生活，少数能漂浮。多生活于水深10-70

18、米的温暖浅海，其钙质外壳可保存为化石，称竹蜓壳。 （2）个体小，一般3-6mm， 最长60mm，外形以纺锤形为主，又名纺锤虫。有球形，凸镜形，常见于灰岩中，白色圆点。 （3）最早出现于C1，P末灭绝，演化迅速，分布广泛，标准化石。中生代（250-65Ma）：爬行动物时代 爬行动物经过7千万年（自晚石炭世早期约3.2亿年出现以来）的默默无闻，在中生代初开始得到迅猛发展，并很快占领了陆、海、空生态空间，成为地球的统治者。种类包括恐龙类、鱼龙类、翼龙类、龟类、鳄类等。其中恐龙类从2.25亿年的晚三叠世出现以来，在J-K辐射发展，成为地球的霸主。 中生代的海生无脊椎动物，以头足类的菊石、牙形石等大为发

19、展为特征（菊石在白垩纪末绝灭），腕足类衰退，只剩下少数类群。 2亿年前1亿年前白垩纪末的绝灭事件使爬行动物受到致命打击，绝大部分走向灭亡，只有一些小型的爬行动物如龟鳖类、蛇类幸免遇难，延续至今。白垩纪末的绝灭事件原因至今未知，有许许多多的假设。 关于恐龙的假设 （1）恐龙绝灭派 a.星体撞击地球假说：在第三纪与白垩纪分层处的暗色粘土层中，金属铱的含量较正常地层含量高25-30倍，而金属铱在其他天体上含量较丰富。但困惑是未找到星体撞击地球的明显痕迹；当时的陆生显花植物仍存活。 b.恐龙蛋结构反常假说：西德几位古生物学家在70年代末发现，恐龙濒临绝灭前的蛋壳大多结构反常，多数蛋壳过薄，发育不全，轻

20、轻一碰就会破碎，胚胎根本无法发育；而少数蛋壳又过厚，胚胎还在发育时就窒息而死。造成蛋壳结构反常的原因有：气候和环境发生深刻变化；食物结构发生变化（钙过多或过少）；动物界的激烈斗争，易使恐龙性激素分泌异常（提前或推后排卵）。c.自身巨型症假说：最长的梁龙可达26.7米，最重的腕龙可达88吨。因身躯庞大，对食物的需求量大，而又行动笨拙、觅食困难，当环境发生巨变时而绝灭。d.被子植物兴起假说：被子植物到冬季就大量枯萎，使以食草为主的恐龙难于度过食物危机；加上部分有花植物有毒，从而导致恐龙绝灭。e.与哺乳动物竞争失败假说：某些哺乳动物专找恐龙蛋吃，使其无法传种接代。f.火山爆发假说：火山爆发诱发酸雨，

21、破坏臭氧层，使气候恶化。g.饥饿导致恐龙逐渐绝灭假说：行星与地球碰撞后，导致植物锐减。h.磁场强度变化说、大陆瘟疫说、太阳黑子剧变说、宇宙射线说、大陆漂移说、杀生元素氟和铱富集说等。 （2）恐龙未完全绝灭派 a.恐龙进化成鸟假说：始祖鸟是从爬行动物类进化未鸟类的中间环节，现代鸟禽类可能是恐龙类某一分支的后裔。 b. 恐龙进化成猿假说：加拿大古生物学家罗索尔在上世纪80年代初提出，恐龙首先演化成一种无毛的、绿色的高等食肉爬行类动物，可用双腿站立，有爪子及尾巴，样子像蜥蜴；进而演化成有智慧的人类。 c.恐龙基本保持原貌幸存至今说：主要证据是在世界许多地方发现类恐龙的怪兽，如苏格兰尼斯湖、刚果泰莱湖

22、、冰岛、加拿大、爱尔兰、瑞典、俄罗斯等地的淡水湖中，都曾有人目击类似恐龙的怪兽。这些湖泊多具有独特而适宜的地质、地理、气候、植被、环境，使少量恐龙类得以幸存，就像鳄鱼、苏铁、银杏一样，成为中生代的活化石。 尼斯湖可以藏下帝国大厦，那么是否可能有怪兽藏在深沟里呢？苏格兰的尼斯湖水怪是全球最著名的传说之一，每年都吸引着来自世界各地的大量游客前往参观，希望能一睹水怪真面目；同时也吸引着许多科学家和探险者的目光。强普是美国版本的尼斯湖水怪，出现在美国佛蒙特州的强普林湖(Camplainlake)，几百年以来，一直有人宣称在强普林湖的水面上看到怪物，它露出水面的头像恐龙的头，人们把这个神秘怪物取名强普。

23、因为强普，强普林湖成为当地著名的旅游景点，但是到现在，没有人能确定强普是否真的存在以及它到底是什么东西。目击者拍到的据说是强普露出水面的照片看到水怪的人说它有像龙那样不断起伏的长躯干从19世纪科学家们发现恐龙化石开始，就不断有恐龙并未完全绝种的传闻。1910年，在中东的刚果，当地人宣称在沼泽里看见了远古遗留的生物，他们把它叫做Mokele Mbembe.见过Mokele Mbembe的人描述说，它的体形有点像大象，不过有长长的脖子和尾巴。 新生代（65Ma-现在）： 哺乳动物、鸟类时代，人类时代 哺乳动物是脊椎动物中最高等的类群，在2亿年前的晚三叠世由爬行动物（兽齿类）进化而来。 爬行动物只有

24、龟、鳄、蜥蜴、蛇等少数种类得以延续。 新生代的脊椎动物家族中，还有一个庞大的类群鸟类，它是空中的统治者。鸟类起源于小型兽角类恐龙，在距今约1.45亿年的晚侏罗世问世。我国辽西地区由于近年发现了许多保存完好的早期鸟类化石，而被国际上公认是研究鸟类起源和早期演化的最理想地区。 上侏罗统中发现的始租鸟，鸟类由爬行类进化而来，既能飞，又能走，鸟类在新生代繁盛，“新生代”是鸟类时代。始祖鸟化石 新生代的无脊椎动物门类较多，以有孔虫、珊瑚和软体动物门中的双壳类、腹足类最繁盛。 有孔虫 属原生动物门。是一种具伪足的微小单细胞动物，多具钙质硬壳，壳上多有开口或小孔，故名。从寒武纪出现到现代，总的演化趋势是日益

25、繁盛。现代有孔虫可生长在各种性质的水体中，但以海洋环境为主。 双壳类 全为水生软体动物。具两瓣外壳，两瓣外壳大小一样、但左右不对称。腔中有瓣状鳃，故又名瓣鳃类。如海扇(Pecten)、蚶(Arca)、珠蚌(Unio)、牡蛎等。瓣鳃类最早出现在寒武纪，总的演化趋势是日益繁盛，从中生代开始迅速发展，现在是全盛期。 腹足类 软体居于壳内，肌肉足发达，位于软体的腹面，外壳为许多螺环组成的螺旋形。常见的如蜗牛、田螺、海螺等，腹足类最早出现在古生代。 人类的出现和发展是生物演化史上一件划时代的大事，人类起源于1400万年前森林古猿中的一支，其直接祖先是距今约440万年的南方古猿，真正的人类出现于250万年

26、前。现在属于人类时代，人类的进化除了生物学进化外，最重要的是文化进化。人和其他动物的根本区别在于，人能思维和创造，建设自己的物质文明和精神文明。“劳动创造了人”。 人类的发展，大致可分为五个阶段： 早期猿人阶段：上新世-早更新世（5.2-1.2Ma） 以非洲南方古猿为代表； 晚期猿人阶段：中更新世（1.2-0.7Ma） 北京猿人、蓝田猿人、印尼爪哇人； 早期智人（古人）阶段：晚更新世（0.7-0.1Ma） 广东马坝人、山西丁村人； 晚期智人（新人）阶段：晚更新世晚期(0.1- 0.01Ma) 周口店山顶洞人、四川资阳人； 现代人类阶段：全新世（0.01Ma-至今），上下五千年。 人类新说: 7

27、万年前曾快灭绝 66亿人是两千人后代由美国国家地理学会和IBM电脑公司进行的一项大型遗传学研究得出惊人结论美国人类遗传学杂志(2008.4.24)大约7万年前，受严重干旱的极端气候影响，地球上人类的祖先曾差点濒临灭绝，人口最少的时候，地球上仅有2000多人，且全部在非洲。直到石器时代初期，人类数量才重新上升，走出绝种边缘。目前地球上的66亿人口，全都是这2000多名人类祖先繁衍出来的!2-3百万年前 总结： 早古生代（590-410Ma）： 海生无脊椎动物时代 晚古生代（410-250Ma）：脊椎动物从水到陆的飞跃 D：鱼类时代 C-P：两栖类动物时代 中生代（250-65Ma）：爬行动物时代

28、 新生代（65Ma-现在）：哺乳动物、鸟类时代、人类时代地球毁灭性灾难概率为50% 英国剑桥大学科学家、英国皇家荣誉天文学家马丁里斯： 地球无时无刻不在面临着各种可能的毁灭性灾难，包括小行星撞击、核恐怖、生化武器等，而下一场超级火山的爆发也只是个时间问题而已。 人类最大的危险可能还是由人类自己引发的，譬如核恐怖、生化武器失控等。100年前，我们并不知道还有核危险，但现在我们知道了；100年前，我们不知道病毒还可以在实验室中制造，但现在我们也知道了；也许人类自己的疏忽和愚蠢就会毁了我们自己。地球生物的繁盛与衰落存在着周期性 2007年，加利福尼亚大学伯克力分校专家们在海洋化石中发现多种生物活动的遗迹。分析显示，地球上生物繁盛与衰落遵从一个相对固定的周期，长度大约为6200万年，并找到至少两次生物大灭绝的痕迹（分别发生在大约2.5亿和4.5亿年之前），恰好处于上述周期的波峰位置。 地球上生命的衰落和繁盛可能与太阳系在银河系中的运动周期存在着密切联系。太阳系不停的沿着特定轨道在银河系中运动，运动周期大约为6400万年，与地球上生物繁盛与衰落的周期大体相当。地层学：研究地表层状岩石的形成顺序、地层的划分对比、地质时代的确定和地层系统的建立。第二节 地层学简介 1沉积相（简称相） （1）沉积相：形成于特定古沉积环境的一套有规律的岩石特征和古生物特征组合。如河流相、湖相、海相（滨、