“保护地球 精彩地质”作品选登——化石，探索地球宝藏的一把钥匙

    如果你是一个科普爱好者，或是一个善于探秘的人，一定会对各地的自然博物馆和地质博物馆感兴趣，因为博物馆里有许多鲜为人知的秘密。你会看到诸如恐龙、大象等大型动物的化石，也会看到长在石头里的树叶和小鸟……这就是化石。化石是大自然遗留给人类，让后人认识生物及自身演化规律的宝贵财富。化石是保存在岩石中的生物体，它们虽然失去了鲜活的生命，却依然蕴含着生命起源与演化的秘密。人类认识生物和自身演化的每一次重大进展，大多是和新化石的发现联系在一起。因此，化石被当作是地质学家们开启地球历史之门的一把重要钥匙。那么化石是如何形成的？作为我国三大内陆盆地之一的柴达木盆地，它又有怎样的化石记录，蕴含了地球生命演化的何种信息，能带给人类、特别是石油地质工作者什么启示呢？

    一、化石的形成、类型及地质时代划分

    化石是地质历史时期（距今约1万年前）形成的地层中的生物遗体、遗迹以及与生命活动有关的各种物质记录。生物死亡之后首先是软体腐烂，然后被沉积物埋藏，埋藏之后到形成化石要经过漫长的地质时期，生物体本身的物质成分被矿物质填充或置换，变得跟岩石一样坚硬。经过地壳构造运动，岩石和古生物化石出露，才能被人们发现（图1）。

图1 化石的形成过程示意图（颜色、样式等修改一下）

    化石的形成需要具备以下几个条件：（1）有机物必须拥有坚硬部分，如壳、骨、牙或木质组织。然而，在非常有利的条件下，即使是非常脆弱的生物，如昆虫或水母也能够变成化石。（2）生物在死后必须立即避免被毁灭。如果一个生物的身体部分被压碎、腐烂或严重风化，这就可能改变或取消该种生物变成化石的可能性。（3）生物必须被某种能阻碍分解的物质迅速地埋藏起来。而这种掩埋物质的类型通常取决于生物生存的环境。海生动物的遗体通常都能变成化石，这是因为海生动物死亡后沉在海底，被软泥覆盖。软泥在后来的地质时代中则变成页岩或石灰岩。较细粒的沉积物不易损坏生物的遗体。在德国的侏罗纪的某些细粒沉积岩中，很好地保存了诸如鸟、昆虫、水母这样一些脆弱的生物的化石。（4）被埋藏的生物尸体还必须经历长时间的石化作用后才能形成化石。有时生物死后虽然被迅速埋藏，但不久因冲刷等各种因素暴露出来而遭到破坏，也不能形成化石。有一些保存在较古老岩层中的化石，因岩层的变形和变质作用，使化石遭到破坏。（5）沉积物在孤寂成岩的过程中，压实作用和结晶作用都会影响化石的石化作用和保存。

    迄今为止，人类发现的化石，大部分化石为钙质，有少数为硅质、磷灰石质、黄铁矿质等。根据其保存的特点，可分为以下5类：第一类是实体化石，多为动物的骨骼和壳体以及植物的根、茎、叶等在地层中经石化而成，所以它们保存了生物的形态、结构和装饰等。第二类是印模化石，是生物遗体在地层中留下的印模，包括外模和内模。外模是遗体坚硬部分（如贝壳）的外表印在围岩上的痕迹，它能够反映原来生物外表形态及构造；内模指壳体的内面轮廓构造印在围岩上的痕迹，能够反映生物硬体的内部形态及构造特征。第三类是遗迹化石，指保留在岩层中的古生物生活活动的痕迹和遗物。遗迹化石中最重要的是足迹，此外还有节肢动物的爬痕，掘穴，钻孔以及生活在滨海地带的舌形贝所构成的潜穴，均可形成遗迹化石。第四类是化学化石，在特定条件下，组成生物的有机成分分解后形成的氨基酸、脂肪酸等有机物却可以仍然保留在岩层里，它们具有一定的有机化学分子结构，科学家就把这类有机物称为化学化石。最后一类是特殊化石，如琥珀和冻土中的化石等。琥珀化石多在煤矿中，中国东北的抚顺煤矿中就常有发现。常年冻土中的生物遗体，因冰冻而没被石化，也可称化石。由此可见，化石多姿多彩，而不仅仅是石化的动物骨骼。

图2 考古学家正在挖掘恐龙化石

    通过研究化石，科学家逐渐认识过去生物的形态、结构、类别，推测出亿万年来生物起源、演化、发展的过程，还可以根据不同生物的生态环境恢复漫长的地质历史时期各个阶段地球的古地理面貌、海陆分布格局。地质学家根据生物演化的阶段性和地球发展的重大构造运动阶段将地球的历史从古到今划分为太古宙（距今45亿年-25亿年）、元古宙（25亿年-5.43亿年）、古生代（5.43亿年-2.51亿年）、中生代（2.51亿年-6500万年）和新生代（6500万年至现代）。每一个宙或代内又进一步分为若干个纪，每个纪划分为几个世。例如把爬行动物、裸子植物、菊石类的繁盛时代划为中生代，其中恐龙类与菊石亚目极盛的时期为侏罗纪；古生代分为早古生代和晚古生代。晚古生代又分为泥盆纪（4.1亿年-3.54亿年）、石炭纪（3.54亿年-2.95亿年）、二叠纪（2.95亿年-2.5亿年）。石炭纪又分为早石炭世和晚石炭世。几百万年的石炭纪地质历史进程中，地球经历了一系列的重大地质事件，如泛大陆的形成，全球成煤事件，全球冰川事件，甚至生物大灭绝事件等等，这些都对地球生物进行了一次重新洗牌，那么石炭纪地球生物界是怎样的呢？

    二、石炭纪地球生物界面貌

   石炭纪是陆地上两栖动物发展，原始爬行类出现的时期，这是脊椎动物演化史上又一次飞跃，其标志是通过陆生羊膜卵的方式在陆上繁殖后代。爬行动物在胚胎发育过程中产生一种纤维质厚膜，称为羊膜，它包裹整个胚胎，形成羊膜囊（图3），其中充满羊水，使胚胎悬浮在液体环境中，能防止干燥和机械损伤。羊膜卵的出现使四足动物征服陆地成为可能。

图3 羊膜卵结构示意图

    石炭纪，陆生植物进一步繁盛，并逐渐占据内陆腹地，地球上首次出现大规模森林，为煤的形成提供了丰富的物质条件，石炭纪晚期是全球重要的成煤期，以蕨类植物石松、节蕨、真蕨、种子蕨和原始裸子植物科达类为主。所以也称为“蕨类植物”的时代。晚石炭世起陆生植物的种类、数量及所占空间领域均有重要发展，在古气候的影响下开始呈现明显的植物地理分区（图4）。近赤道的低纬度区为热带-亚热带植物区，主要包括中国大部、日本、印尼的苏门答腊、中亚、欧洲及北美东部，其特征是高大的石松、节蕨和科达类大量繁盛，树高林密，枝叶繁茂，形成热带森林景观。其中鳞木可高达30-40m，直径达2m，但树干不显年轮（图5）。北亚、我国新疆准噶尔盆地及东北北部。称安加拉植物区，以草木真蕨和种子蕨为主，木本植物具明显年轮，代表北温带气候，其代表有匙叶等。冈瓦纳大陆发育着以舌羊齿为代表的舌羊齿植物群，我国西藏南部地区巳有发现，其特征是植物种类单调，反映了南半球中高纬度区较寒冷的气候。二叠纪时，在热带-亚热带植物区内又明显地分化为华夏（Cathaysian）和欧美（Euramerian）两大植物区，华夏植物区包括东亚和东南亚地区，以著名的大羽羊齿植物群为代表。

图4 石炭纪-二叠纪世界古植物地理分区图

    中国大部分地区为热带植物区，早石炭世以Archaeocalamites（古芦木）为代表（图6）。晚石炭世出现了以Neuropteris gigantea（大脉羊齿）、N.ovata（卵脉羊齿）和Linopteris brongniartis（短网羊齿）等为代表的植物群（图7）。

图5 石松纲鳞木植物复原图

图6 古芦木化石

图7 含煤岩系中的脉羊齿化石

图8 晚石炭世植物景观图（修改为彩色）

1.巨座延羊齿；2.变态叶；3.卵脉羊齿；4.树蕨；5.华夏羊齿；6.菱齿叶；7.齿叶穗；8.芦木丛林；9.三裂齿叶；10.科达树林；11.斜方鳞木；12.大青山窝木；13.华夏鳞木；14.鱼鳞封印木；15.纤弱楔羊齿；16.脐根座；17.椭圆楔叶为主的楔叶丛

    时光轮转，沧海桑田，风云变幻，现在的柴达木盆地东北缘海拔3000-4500米，巍巍祁连山绵延起伏，气候干旱；而在石炭纪时期气候温暖潮湿，动植物繁盛，地壳运动稳定，地势较为平坦，海平面升降频繁，海平面上升时发生海侵，广大地区被海水淹没，为稳定的滨浅海环境，海洋中生活着丰富多彩的无脊椎动物。包括四射珊瑚、腕足类、头足类、双壳类、䗴类、苔藓虫、海百合等，尤以腕足动物、四射珊瑚、䗴类最为繁盛。它们或在海底固着生活，或在海底自由躺卧，或在海洋中自由游泳，自由自在。海退时为滨岸沼泽或者河流环境，植物繁盛。地质人员近年来在西宁德令哈等地区进行了野外剖面的调查（图9、10），发现了大量古生物化石。为确定地层的形成时代和恢复古环境提供了证据，为寻找油气资源指明生油和储油的目的层段。现将主要门类古生物特征及属种简单介绍。

图9 德令哈怀头他拉剖面

（中吾农山群，北纬37°33′27″，东经96°50′12″，海拔3360米），上石炭统

图10 青海德令哈石灰沟石炭纪地层剖面（扎布萨尕秀组）

（北纬37°24′27″，东经96°5′41″，海拔3520米）

图11 德令哈石灰沟剖面含腕足动物的灰岩 德令哈石灰沟剖面含腕足动物的灰岩

           图12 怀头他拉水库剖面地层中的海百合茎化石（北纬37°33′27″，东经96°50′12″，海拔3360米）

图13怀头他拉水库剖面地层中的苔藓虫化石

图14 德令哈赛冷尕秀剖面，祁连山南坡，长身贝类化石

图15 太原网格长身贝（1-4,8）

    三、化石与能源的关系

    “能源”这一术语，在过去人们谈论得很少，正是两次石油危机使它成了人们议论的热点。那么，究竟什么是“能源”呢？关于能源的定义，我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。

    由此上我们不难看出，能源对我们的生活非常重要，尤其是石油、天然气对每一个国家的发展在现今都起着至关重要并且无可替代的作用。2003年，美国发动的伊拉克战争，其实就是一次为了争夺油气资源的战争。那么，化石与油气资源之间有着密切的关系吗？答案是肯定的。总的来说，化石可以大致分为两类：遗体以及遗迹。那么要说其化石与油气资源的关系就要从这两方面说起：一是化石遗体与油气资源的关系；二是化石遗迹与油气资源的关系。

    （1）化石遗体与油气资源的关系

    就常规情况而言，在地质历史时期，某地出现了地震，火山，海啸以及气候突变等地质事件中，都会存在着大规模的生物死亡。在无沉积区域，生物会被风化而逐渐弥散在空中，在沉积区域，例如河流，海洋等，沉积物会对生物进行掩埋。生物在不同情况下形成油气资源和化石，这些突然死亡而形成的化石在某些沉积区域大规模的出现，表明在地质事件发生之前生物在这一区域生活非常密集。根据生物链规则，这种密集的生活，势必该区域会存在更大规模的低端食物链的生物。因此，低端食物链的生物被掩埋之后，更容易形成油气，故而该区域就越接近油气资源的储存地。

    生物进化由“水生到陆生、由简单到复杂、由低级到高级”三种形式。而这个过程与沧海桑田过程有密切关系，当水生低级生物化石大量出现在陆地上时，那么这些生物需要的食物链就是更低级的微生物。如：一些贝类、珊瑚、海螺等有坚硬外壳，其钙化成分对化石形成起到促进作用。而它们的食物—微生物等因体积小，易被水流渗透带到更低地穴中沉积，由于它们没有坚硬外壳，易腐烂，形成化石相当困难。但是许多的微生物在大量聚集后，它们经历腐烂、和吐气等发酵过程，被流水等带到地下很深的地方埋葬起来并溶解在其环境中，最后形成油气资源。

    （2）化石遗迹与油气资源的关系

    化石遗迹对储集层的孔隙度和渗透率具有一定的影响，一般说来，地层中遗迹化石的存在对油气的运移、聚集有一定的影响；在砂质岩中，生物活动形成的潜穴等遗迹可增大岩石孔隙度，有利于油气的贮集；而在泥质岩中生物强烈扰动性往往破坏微层构造，不利于生油岩中油气的运移。另外，化石遗迹具有特定的沉积环境，遗迹化石类型和组合不仅能指示和区分海相、陆相、滨海、浅海、半深海和深海环境，特殊的遗迹化石共生组合关系、遗迹组构和阶层在识别和区分事件沉积,如风暴沉积，浊流沉积等方面具有重要意义，在识别和区分层序、层序界面等方面也揩油指示意义。总体而言，遗迹化石具有重要的油气意义和理论价值，为指导油气资源勘探开发的基础学科，特别是沉积学、古生物学和层序地层学研究方面尤为重要。

    四、柴达木盆地的石炭纪化石与油气资源

    柴达木盆地及周边地区石炭纪生物群十分发育（图11-15），包括四射珊瑚、腕足类、头足类、腹足类、双壳类、蜓类、苔藓虫、植物、三叶虫、及海百合茎等十多个门类。其中早石炭世以四射珊瑚、腕足类最为繁盛，其属种繁多，数量丰富，植物也比较常见；晚石炭世以蜓类居多，腕足类、四射珊瑚虽相当发育，但属种比较单调。该区生物地层研究历史较晚，自1958年开始，先后有很多古生物学家对青海境内生物地层进行过研究。早期多与岩石地层同时进行，并作为地层时代划分的重要依据。随着生物群描述内容不断增加，特别是古生物地层专题研究的深入开展，分别建立了相关门类化石组合（带），为石炭纪生物地层研究打下了坚实基础。

    柴达木盆地石炭纪为滨浅海相沉积环境,气候温和,生物茂盛,特别在东北缘一带,分布含煤海陆交互相沉积建造,有利于烃源岩生成。石油地质工作者近年来对柴达木盆地石炭系油气资源的调查研究,证实了盆地石炭系发育良好的烃源岩,石炭系地层普遍发育厚层油砂,显示石炭系具有很好生烃能力和油气运移过程。另外，石炭系构造变形主要发生在新近纪末,之前的构造变形较弱，有利于石炭系油气保存。柴达木盆地由于面积大, 海拔高, 含油层系多，是国际地学研究的热点和未来石油地质工作者石油勘探开发的重点。