3章化石与地质年代

1、3 章 化石与地质年代 31 化石 311 化石(fossil)的概念 化石是经过自然界的作用，保存于地层中的古生物遗体、遗物和它们的生活遗迹。 化石是生物进化的直接证据，是古生物学研究的对象。 迄今为止，已有记录的化石种估计有25万个。,1）化石大多生物体的是坚硬部分，如动物的骨骼、贝壳，植物的茎、叶等。经过矿物质的填充和交替作用，形成了仅保持原来形状、结构以至印模的石化了的遗体、遗物和遗迹。 (钙化、碳化、硅化、矿化) 2）少量是指未经改变的完整的古生物遗体，如冻土中的猛犸、琥珀中的昆虫等。,312化石的形成 取决于以下几种因素。 1、生物死亡的数量 一般生物死得多形成化石的机会就多；反之

2、机会就少。 海洋环境形成的地层中，容易发现动物化石，特别是珊瑚一类的化石； 含煤的地层中，容易得到植物的化石。 陆地环境形成的地层里，难以找到化石，尤其是哺乳动物化石。,2、生物体组成部分的坚硬程度 凡软体部分，如皮肤、肌肉以及各种器官，则易腐烂而消失。 凡硬体如介壳、骨骼、牙齿、角、树干、孢子、花粉等，不易被毁灭； 所以常见的化石，大多由生物体硬体部分所形成。如： 恐龙化石， 多为骨架； 象的化石， 多为牙齿与骨骼； 河蚌化石， 多为介壳； 三叶虫化石，多为甲壳。,3生物尸体掩埋的速度 生物尸体如果暴露于空气中，则会被氧化或遭受其他生物吞噬和破坏，即使是硬体部分，年长日久，也会被风化、毁坏。

3、 因此，生物死亡后，需要有某种沉积作用将其迅速掩埋，才能较好的保存。 凡生物繁盛而地质沉积作用急剧进行的地区，一般化石就较多。 如我国甘肃东部、山西西北部、河南西部、陕西等地，底层多数是河湖中形成的。由于动物遗体掩埋在水底，盆地周围的沉积物不断覆盖，经过几番沧桑变迁，湖沼干涸，沉积物变成坚硬的岩石，并且暴露到地表。是哺乳动物化石较多的产地。我国著名的黄河剑齿象就是在那里发现的。,4石化的程度和快慢 石化就是古生物体的遗体、遗物和遗迹通过物理、化学作用，使它们变成坚硬如石的过程。 物理作用：指生物体的外形印烙在岩石上的过程；或者是壳体、骨骼等空隙被泥沙或其他矿物质所填充使之变硬的过程。 化学作用

4、：指化学溶液对古生物硬体部分的作用过程。 即碳酸钙溶液、二氧化硅溶液和黄铁矿等溶液，在地层中流动时，不断接触古生物硬体部分，其溶液的矿物质成分不断与生物体进行化学置换，久而久之，这些生物体的物质成分几乎全部被矿物成分所取代，而形态则保持原样。,如常见的硅化木(silicified trees)(图32)， 虽然它的细胞、年轮都保持下来，但物质成分却是二氧化硅。,钙化：有机体因钙盐沉着而变硬。 碳化：指生物质在缺氧或贫氧条件下分解为碳和其他产物（气体）的过程。 硅化：生物硬体原来的成分被二氧化硅所交代的作用。交代物质为石英、玉髓或蛋白石等； 矿化:在一定的物理化学条件下，在生物有机物质转变为固相

5、矿物的过程。,3.1.3 化石的分类与假化石 按保存的特点和大小程度来区分。 3.1.3.1 按保存的特点分类 1遗体化石 指保存在岩层里的古生物体本身。 其中有的内部物质成分基本不变，是在特殊自然条件下被封闭的。 例如 距今20万年100万年的猛犸和披毛犀，是在天然的冷库中被保存了下来。 又如 琥珀中的昆虫，是由树胶的突然包合而死亡的(P 36 图33)。,有的遗体化石的物质成分有较大的变化，例如 前面提到的硅化木。 也有的遗体化石不仅物质成分变了，组织构造也起了明显的变化。 例如 有的植物叶子、鱼鳞等埋入地下后，其中所含的氧、氢、氮等都挥发掉了，只留下了碳质薄膜。,2模铸化石 指生物体在底

6、层或围岩中留下的各种印模和复铸物。 分2类：印痕化石 印模化石 1）印痕化石(impression fossil) 即生物体陷落在底层，留下了印迹，而其遗体则往往遭到破坏分解、腐烂。但印迹上却保留下该生物体的主要特征。 常见：植物的根、茎、叶、花、果； 动物的触须、附肢、羽毛等。,2）印模化石(model fossil)： 当生物体的坚硬部分(多是贝壳)最初完整地保留在围岩，后来被地下水溶解，留下一个空洞，但在空洞的四壁留下了该生物体的外形，称为“外模”； 相反，保留壳瓣的内部模样的印痕，称为“内模”。 外模和内模所表现的花纹凹凸情况与原物正好相反。,3、遗物化石 指动物的粪便、卵(蛋)以及人

7、类祖先使用的工具等。 如：鱼的卵、狗的粪便； 人类祖先使用过的石器、骨器、装饰品； 欧洲旧石器时代晚期的洞穴壁画(图3-4)和雕塑。 爬行类和鸟类的蛋化石。,4遗迹化石 遗迹化石是古代动物活动时留下的痕迹。 主要的是足迹。 与岩层紧密共存。岩层移动或破坏，足迹也就消失。 这类化石都是原生的。 通过遗迹化石可以推测动物的活动情况。 可从足迹的深浅、大小、多少来推测动物的体重和数量。 这类化石的数量尽管不多，但对某些方面的研究具有重要意义。,3.1.3.2 按保存的大小分类 1大化石 指肉眼或放大镜能直接观察到的化石。 2微体化石 (micro fossils) 用显微镜才能观察到的一类微小化石。

8、 指个体小的古生物或大生物体的某些微小部分的化石，如有孔虫、放射虫、细胞、孢子、花粉等化石。 远古时代的细菌、蓝藻化石也属这一类。,例如： 1977年在南非，35亿年前的斯威士兰系的古老堆积岩中，曾发现200多个在显微镜下可清楚看到的与原核藻类非常相近的古细胞化石。 在我国东北，距今24亿年前的鞍山群地层中也发现过铁细菌化石。 我国五台山群等地层中，也有距今18亿年前的蓝藻化石。,3超微化石 (ultramicrofossil) 指只有在电子显微镜下才能观察到的特别微小的一类化石。 一般认为大小在10 um 之下， 也有主张可包括25 um左右的微小化石。,超微化石主要是指超微浮游生物，体形小

9、、数量多、分布也甚广。 不论在前寒武纪的古老岩层到最近的沉 积岩层均可找到。 研究意义：超微化石对研究前寒武纪地层及不含大化石的地层很有价值，也可用于对古环境的探索。 用电镜从事化石研究是一种比较新的技术。 用扫描电镜研究古植物只有30多年的历史。 我国也用它来研究颗石藻、硅藻等超微化石。,此外，由于近代化学分析技术的进步，古生物残留的一些有机物分子，如 氨基酸、脂肪酸、叶绿素等，可从岩石中分离出来，进行鉴定研究，从而确定生物的存在和属性。 这种具有一定的有机分子结构，可认为是某些古生物的遗迹，故可称之为：化学化石或分子化石(molecular fossils) (P38图35),总之： 化石

10、：是保存在地层中的古代生物的遗体、遗物和遗迹的总称。 需要说明一点，现代泥砂层中埋葬着的贝壳之类，尽管他们是生物的遗体，仍不能当作化石，因为他们是现代形成的，不能算是地史上的产物。,3.1.3.3 假化石 最常见的假化石：菊花石、松枝石、沉积结核、姜结石、三棱石及假石器。 这些所谓的“化石”，其形状似化石，甚至十分逼真，实际都是岩石的沉淀或金属的沉淀物。,以菊花石为例： 它生于石炭岩地层中，像洁白的菊花，形态各异。 其实菊花即使压成化石也只能是残片，不可能有花朵之形。 近年来据研究，菊花石花瓣由天青石和方解石组成，花蕊由燧石构成。经分析其中还含有多种金属元素。 所谓假石器是把一般碎石冒充为古人

11、类石器工具。上面既没有人类使用过的痕迹，而且与发现的地点和周围的地理环境也不相符。,3.2 地质年代 3.2.1 地质年代 ( geologicage )概念: 指地壳上不同时代的岩石、地层在形成过程中的时间(年龄)和顺序。 根据地层学和古生物学方法分为：宙、代、纪等。 如显生宙包括古生代、中生代和新生代，古生代又分为寒武纪等6个纪。 在各个不同时期的地层中有各自的标准化石。,纪的名称是翻译过来的，也有一定含意。 如 石炭纪是因那个时代煤岩丰富而得名； 侏罗纪是因德国与瑞士交界的侏罗纪山底层而得名。 与地质年代相对应的地层分别称为界、系、统、层等。它们与代、世、纪、期等名称平行并用。 例如，称

12、古生代的地层为古生界，称寒武纪的地层为寒武系。,322 地质年代的测定 1放射测定法 运用放射性元素的特点进行测定的方法。 放射性元素以自己恒定的速度进行衰变，不受外界温度和压力的影响。在一定时间内，放射性元素蜕变的分量和生成的元素具有一定的比例。,如： 45亿年 1 g U238 0.5 g U238 + Pb206 也就是说，0.5gU238蜕变成Pb206需要45亿年。 据U238和Pb206的含量，可计算出岩石和化石的年龄。,地球形成的时期，也是用同样的方法测定出来的。据测定大约是46.6亿年。 据说，从月球表面取来的细砂和角砾岩的测定中，得出月球的年龄也是46.6亿年。这是一个很有意

13、义的数据。,*放射性碳14(C14)法： 地球上分布着许多碳的同位素C12 C13无放射性 C14 且具放射性。 C14很容易与大气中的氧化物结合变成具有放射性的C02，植物吸收C02 时，利用了C14，动物又从植物那里获得CO2，而当生物死后，就再没有C14加入了。 C14的半衰期为5730年，即经过5730年后，生物体内C14的含量减少为原来的一半，经过11460年减少到原来的14。 现在生活着的生物体中的C14的含量是已知的，据此，就可计算出化石的年龄了。,但是， C14年代测定的范围就现在测量仪器的灵敏度，最大范围可达5万年。 如果样品不受限制，用浓缩碳测定年龄，其范围可达7万年。 此

14、外，还有： 裂变径迹法：被用来测定灰烬中的岩石等； 钾氩法：主要用于测定有火山活动地区的材料。,2古地磁法 地球的磁场在其发展历史中，方向和强度都在不断地变化。 岩石和化石在其形成过程中，都受到地磁场的作用而获得磁性，这称为原生剩余磁性，这种磁性被保存至今，成为当时的磁场情况的纪录。 根据专门的仪器测定，可以用来进行地层原生剩余磁性的对比，确定它的年代。,3氨基酸外消旋法 在显微镜下，溶液中的氨基酸会改变偏光的方向，可分为左侧或右侧偏光。 现生动植物所有的氨基酸均为左侧偏光。当它们死后会出现一种称外消旋的分子化学重组过程，其氨基酸逐渐丧失左侧的偏光性，而变为左右随机的偏光。 在特定的温度中，左

15、侧偏光特征的消失速率是预知的。 所以根据化石左右偏光氨基酸的比例以及沉积时的温度，可以用来测定地质年代。,但是，由于骨化石环境温度的历史不易掌握，在测定中有时可能出现大的差错。,4热释光法 岩石或标本在燃烧、烘烤或物理、化学风化过程中会释放掉最初的总发光量，继而在平静的地质环境中受其本身和围岩及宇宙射线的辐射作用，又重新从零开始积累起来。 其积累的热发光与时间成正比。 为此可根据化石的总发光量来确定它的地质年代。,在“中国猿人”的测定中，热释光法就用来测定猿人洞和山顶洞的角砾堆积。 猿人洞第10层的年代是59.2万年前，第4层为31.3万年前，山顶洞的下窖在32万5万年前。,5、电子回旋共振法

16、(ESR) （略） 通过对生物体(包括已绝种的生物)内基因的测定，发现所有生物世系的基因一直在以稳定的速率积累着突变，如在核的DNA和细胞器DNA中，碱基替换的平均积累几乎与放射性衰变过程一样，准确而有规律。 生物钟的概念就是由此而建立的。 现在还可以根据少数已精确断定年代的化石对分子钟进行矫正。 利用这些化石，也可估计出某些现存生物自共同祖先以来的分歧年代。,化石年代的测定，近30年来在年代测定方法(相对年代或绝对年代)上有很大改进。 同时，也往往采用多种方法交叉测定，因而与过去相比其正确程度大为提高。 精确确定的化石顺序是证明生物进化最有效的手段。,33 古生物学与生物进化 古生物学(Pa

17、leontology；paleobiogy)： 是研究地质历史时期生物的形态、构造、分类、生态、分布、演化等规律的科学。 331 地质年代中生物的系统进化 据推算地球的年龄有46亿年， 而可靠的化石记录是从35亿年开始的。,真核细胞生物大约产生在27亿年前。 27亿12亿年前之间，海洋生物演变进展不快，直至11亿年前，才开始有多细胞生物。 生物多样性分化的可靠化石证据 产生在6亿年前。 动植物登陆出现在4亿多年前， 陆生动植物的多样化始于2亿多年前。,古生物学从古老的地层中发现了生物的化石，化石自然令人信服地证明了“进化是事实”。 化石也有欠缺的一面，但是迄今为止，古生物学的研究毕竟发现了大量

18、的化石证据，偶尔也能找到始祖鸟一类的过渡类型，从而填补了些“缺失的环节”。 也有一些化石在生物种系(germline)上保持了令人惊异的完整性，尽管很少。 正是因为化石记录的不断发现、充实和更新，并与其他许多学科的研究成果相结合，进化科学才有今日的兴旺。,关于各地质年代中生物进化的情况详见P41-42 表31建立在化石证据之上的主要进化事件 此表将随着新化石的发现而不断修改和完善，以便使其真实地反映自然历史发展的本来面貌。,3.3.2 种系进化实例：马和单弓类 3.3.2.1 马的进化 最早关于马的记录来自法国和西班牙旧石器时代洞穴壁画上的野马。 现代马在分类上是一个科。包括野马、斑马、驴等。善于奔跑。 通过化石研究，证明真马是从原始类型进化来的。,1、马的祖先叫始祖马（始新马）。 出现于始新世。 特征：体形如狐，前肢4趾，后肢3趾；臼齿低尖型，6个尖，低冠。 从森林生活转向草原及高原生活，生活方式的改变，要在坚硬的土地上急走和以粗硬的草原植物为食等，促使一些新类型的产生。,马进化的新特点： 体形增高、变大； 趾数减少。中趾加强，侧趾退