在纽芬兰的 Fortune Head 海岸,一层灰绿色页岩与上面的砂岩之间钉着一块铜牌。这是寒武系的底界,年龄 5.41 亿年。铜牌的位置不是按岩石定的,是按一条遗迹化石带定的,岩石在这里没有突变,变的是生物留下的痕迹。
寒武系的底界钉在一条遗迹化石带上
这条遗迹化石叫 Treptichnus pedum,是一种螺旋状的分枝潜穴。它比更老的遗迹复杂,说明造迹动物已经能在地下三维觅食,不再只是沿着层面爬行。潜穴的形态因此成了行为复杂度的标尺,这类潜穴在寒武纪初期的浅海砂泥里最常见。
国际地层委员会用它的首现作为界线。首现点之下是埃迪卡拉系,之上是寒武系。界线附近没有大断层,也没有岩性突变,只有生物行为的变化,这种定义方式不靠岩性靠演化,也带来对比上的麻烦。
小壳化石是最早的矿化骨骼,尺寸多在几毫米
埃迪卡拉纪末到寒武纪初,海洋里出现大量磷酸盐和碳酸钙的小壳体,统称小壳化石。它们多为 0.5 到 5 毫米,形态有管状、帽状、锥状,常富集在磷块岩层里,肉眼看上去像一堆细砂,磷块岩是它们最主要的载体。
小壳化石的矿物成分说明动物开始主动分泌骨骼。骨骼的出现改变了保存方式:软体难留,硬壳易留。地层里化石突然变多,一半是生物变了,一半是保存条件变了,两者要分开算,不能混成一个“爆发”。
澄江与布尔吉斯页岩保存的是软躯体
云南澄江的页岩 5.18 亿年,加拿大布尔吉斯页岩 5.08 亿年。两处都保存了软躯体、附肢、消化道,甚至神经组织。化石压成薄膜,贴在页岩面上,劈开一块石头就可能露出一个新物种,这些软躯体化石改写了早期动物的形象。
保存靠的是细粒泥质沉积与缺氧底层水。生物被泥掩埋后,微生物席封闭了躯体,矿物在软组织上沉淀。这样的窗口在全球只有少数几处,所以同样的动物在别处只剩硬壳,在这里才留下全套软体。
爆发有一半是保存条件造成的假象
寒武纪之前的埃迪卡拉生物群也有多样性,只是多为软躯体,保存差。寒武纪的爆发在分类学上真实,在化石数量上被放大。把两个时期的化石数直接相比,等于拿一张模糊照片和一张清晰照片比人头。
不同板块的碳酸盐台地、页岩盆地、深海扇,保存潜力差别很大。把几个化石富集的剖面拼成一条曲线,会得到一个陡峭的上升。本文判断:曲线越陡,越要先检查采样是不是集中在了好保存的相带里。
关键数据
寒武纪的界线与几个化石库,可以用下面几个数字定位。
- 寒武系底界 541 百万年。
- 澄江生物群 518 百万年。
- 布尔吉斯页岩 508 百万年。
- 小壳化石尺寸 0.5 到 5 毫米。
- 埃迪卡拉生物群 575 到 539 百万年。
- 三叶虫最早出现约 521 百万年。
界线化石受岩相控制,剖面之间会错开几十米
Treptichnus pedum 的首现受岩相控制。页岩里容易保存,砂岩里容易被冲刷掉。同一时期,盆地中心的界线可能比边缘低几十米,剖面之间的对比因此带上了岩相的影子,不是纯粹的演化信号,这也是界线层位常有争议的原因。
对比不同大陆的剖面时,界线位置会差上几米到几十米。本文判断:寒武系底界是一条可以全球对比的线,但它的精度在米级,不在厘米级,要更细的划分得靠火山灰夹层。
参考文献
- Landing E. Precambrian-Cambrian boundary GSSP, Fortune Head, Newfoundland. Geological Magazine, 1994.
- Hou X G, et al. The Cambrian Fossils of Chengjiang, China. Blackwell, 2004.
- Briggs D E G, Erwin D H, Collier F J. The Fossils of the Burgess Shale. Smithsonian Institution Press, 1994.
- Zhu M Y, et al. A deep root for the Cambrian explosion. Geology, 2017.