经典地质图集，搞明白地层！

从“雪球地球到盘古大陆”，

从“生物大爆发到生物大灭绝”

......

几十亿年的演化中，

地球经历了无数的变化。

（图源@Wendy Kenigsberg/Cornell University）

为了了解这漫长的历史，

地质学家们通过采集分析资料，

将其与地质年代结合，

重现了地球的演化。

而这些有关地球历史的

最详细、最精确的信息

大部分都来自于地球上

最为神奇的构造——地层！

（图源@Callan Bentley）

（图源@Kohei Tanaka from Pixabay ）

（图源@rodoluca）

第

1

章

-历史回望-

地层学（stratigraphy）

作为地质学中奠基性的基础学科，

自产生至今已有几百年历史。

形成了以原始地层学、

狭义地层学和现代地层学

为特色的3个发展阶段。

原始地层学

17 世纪后期，

丹麦学者 N. Steno 

提出了地层三定律：

丹麦学者 N. Steno

18世纪，英国地质学家

w. Smith提出的

生物层序律奠定了

岩石和生物地层学的

基本原理及研究方法，

并厘定了 最初的地层系统，

使得第一张地层表在1799 年诞生。

英国地质学家w. Smith

而到了19世纪末，

德国学者J. Walther又提出：

“只有那些目前可以观察到

是彼此毗邻的相和相区，

才能原生的重叠在一起。”

这就是著名的瓦尔特相律，

又称为相对比原理。

这些概念和原理的提出

标志着原始地层学阶段

（1669-1900）的出现。

尽管它们大多来源于

直觉或经验性总结，

但仍对之后地层学的研究

产生了重要的影响。

狭义地层学

狭义地层学阶段

具有几个显著的特征。

首先，统一地层划分对比

始终是当时的主流思想。

即一切地层单位和

地层界线均统一于

年代地层单位和界线的观点，

在地层学中至少主导了

300年的时间(1669-1976)。

在这期间，虽然有地质学家

葛利普在其地层学著作

《地层学原理》(1913)中

明确描述了相变和岩相界线穿时，

以及岩石地层单位与

年代地层单位不一致的科学理论。

《地层学原理》(1913)

但直到20世纪70年代，

H. D. Hedberg(赫德伯格)

主编的《国际地层指南》(第一版)

出版（1976）,

多重地层划分对比的思想

才逐渐被地层学家所接受。

《国际地层指南》（简化版）

《国际地层指南》(第一版)

出版前的前几十年是

地层分类、术语、概念和原理等

激烈变动的年代。

各种地层学概念和

术语大量出现，又被摒弃，

这也成为了狭义地层学阶段

第二个显著的特征。

而这些新观念和思想的出现，

促进了以宏观露头研究

为主体的区域地层学资料的

迅速积累，大量新的

地层学分支也逐渐出现。

现代地层学

自1976年至今，

随着多重地层划分对比理论、

板块构造理论和新灾变论的发展，

矿产资源勘探等领域对

地层学理论和技术的大量需求，

给狭义地层学理论的完善和

现代地层学理论的形成

带来了良好的契机。

20世纪中后期，

地层学的发展进入了

一个极速时代。

该阶段的现代地层学

具有4个典型的特征。

首先，在研究对象和内容上

大为扩展和深化。

以对传统层状岩石的研究为基础，

进一步增加了对

非传统层状岩石的研究，

从而更广泛地认识了

层状岩石和地球演化史。

加拿大东部寒武纪中期海洋沉积形成的地层（图源@James）

在研究范围上，现代地层学

越来越重视区域地层研究基础上的

国际交流合作与全球对比。

提倡地层学术用语、概念、

方法及过程的国际化和

专业化已成为地层学家们的共识。

在研究尺度和手段上，

现代地层学逐渐开始重视

从微观尺度和

借助现代科技手段获取地层特征，

如对磁性地层、同位素地层和

分子地层等的研究。

磁性地层模型

而在地层划分对比中，

现代地层学使其分辨率

已在部分地区和时代达到了

从百万年级至

万年级精度的提升。

第

2

章

-岩石地层-

地层（stratum）

是一切成层岩石的总称，

是一层或一组具有

某种统一的特征和属性的，

并和上下层有着明显区别的岩层。

（图源@Douglas Barnett）

而根据地层的岩性及岩性组合，

对地层进行划分、对比的学科

被称为岩石地层学。

岩石地层划分是指

根据地层的岩性、岩相和变质、

变形特征将地层

组织成相应的岩石地层单位。

峡谷地国家公园地层（图源@NPS/Herbert）

地层的结构、基本层序和

各岩层之间的接触关系等，

均是岩石地层划分的重要依据。

只有在建立了

岩石地层序列或格架的基础上，

才能进行生物地层、年代地层等

其他分支地层类别的研究。

地层不整合分类

岩石地层单位是由岩性、

岩相或变质程度均一的

岩石构成的三度空间岩层体，

是大、中比例尺

野外地质填图的基本单位，

应具有一定的厚度。

岩石地层单位必须以

实际岩石组分的特征为基础，

而不是以岩石的地球物理性能

(电性、磁性、放射性和

其他推论或度量的物理性质)、

推论出的时间间隔、

地质事件、成因等为基础。

交错层理（左：邓韦根河流沙丘；右：大型纳瓦霍风成沙丘）

化石为岩石中的一种物质成分，

有时对于识别一个

岩石地层单位具有重要作用。

但不论在什么情况下，

岩石地层单位绝不根据

所含古生物化石来下定义。

化石（图源@Riley Black ）

岩石地层单位可分为3种：

正式岩石地层单位、

非正式岩石地层单位和

特殊岩石地层单位。

严格遵循地层单位命名

与修订程序划分、定义、

命名或修订，

出版的岩石地层单位为

正式岩石地层单位

（formal lithostratigraphic units）。

美国加利福尼亚州地层（图源@Wilson44691）

正式岩石地层单位

按级别可分为四级：

群(Group)、组(Formation)、

段(Member)、层(Bed)，

其中组是基本的单位。

非正式岩石地层单位

（informal lithostratigraphic units）

是指未正式命名，

或无需正式命名，

并依附于某一正式单位的

岩石地层单位，

其常用单位术语之间

无等级和大小之分。

印度地层（图源@ Mark A. Wilson）

特殊岩石地层单位是

相对于正常岩石地层单位提出的。

正常岩石地层

(史密斯地层)的形成，

符合地层学三定律、

化石层序律和瓦尔特相律。

地中海东部岛屿地层（图源@MeanStreets）

而特殊岩石地层

(非史密斯地层)，

主要是原始层状或非层状岩石体，

遭受后期不同程度和

不同期次的构造变形、

变质作用及岩浆作用的

影响和强烈改造后，

形成的一套岩石体。

杂岩（图源@James St. John）

难以用正常的岩石地层

分类方法对其进行划分。

其地层单位包括岩群、岩组、

杂岩、混杂岩、蛇绿岩等。

纽芬兰蛇绿岩（图源@Gros Morne National Park）

第

3

章

-生物地层-

在过去的地质时间里，

地球上曾经出现过

各种各样的生物，

它们伴随地球历史进程

经过了一段长期而又

复杂的演化过程。

这些生物有着

与现代生物相似的发展演化规律。

它们的生存环境与沉积地层

所反映的环境有密切联系。

因此，对生物地层的研究

不仅为地层序列的建立、

划分和对比提供了

最常用的可靠手段，

而且为研究

生物演化的过程和机制，

重建地质历史时期的古构造、

古地理和古环境格局

提供了具体的时空格架。

（图源@USGS）

生物地层学的主要研究对象是

包含化石的岩层，

其依赖的客观实体是

与古代生命活动相联系

并在岩层中记录下来的化石。

三叶虫化石

地层中所保存的生物化石

及其所代表的自然环境

称之为生物相。

生物相和岩相结合

是恢复古环境的主要手段。

有重要指相意义的

生物化石称之为指相化石。

美国内布拉斯加州Ashfall化石床（图源@ Jim West）

威廉·史密斯在1816年发表的

名著《用生物化石鉴别的地层》中，

首次提出生物顺序发生的概念，

既在整个地质时期内

各种生物一个接着另一个

按先后顺序出现。

并指出，相同的层总是

发现有相同的叠覆次序，

并且包含相同的特有化石。

《用生物化石鉴别的地层》内容（图源@William Smith）

生物化石在不同的

地质年代中显示着

各不相同的特定面貌，

而在同一地质年代的化石

却有着大致相同的面貌。

三叶虫化石

由于这种生物阶段性的

发展与地质历史的阶段性

是密切结合在一起的，

所以就有可能用生物发展面貌

命名大的地质年代，

如古生代与中生代和新生代等。

罕见的蟑螂和双壳类化石（图源@Kinney Quarry）

生物地层单位是指具有

相同化石内容和分布特征的

一种地层单位，

是根据岩石中所含化石的特征

来定义和说明

其特性的岩石地层体。

史前蜥蜴骨骼化石（图源@Nikolay Antonov）

生物带(biozone)是

生物地层单位的总称。

常用的生物带有5种：

延限带、间隔带、组合带、

富集带和谱系带。

生物带类型（每个矩形代表沉积岩体，每条线代表一个不同的分类单元。箭头表示分类单元的第一次或最后一次出现）（图源@Vera Torres, J.A. (1994)）

各类生物带之间

无级别上的差别，

也不相互排斥。

同一地层间隔可以根据

所选用的化石特征，

独立地划分出延限带、间隔带、

组合带、富集带或谱系带。

美国田纳西州奥陶纪笔石动物标准化石（图源@Wilson44691）

第

4

章

-年代地层-

研究岩石体的相对时间关系

及年龄的地层学分支

被称为年代地层学。

（图源@Ray Troll）

年代地层单位

(chronostratigraphic units)

是指在一特定的地质时间间隔中

形成的所有成层或

非成层的综合岩石体。

这些单位在年代地层单位

等级系列中的级别和相对大小，

并不参照其岩石的实际厚度，

而是与其岩石所涵盖的

时间间隔长短所对应。

科罗拉多高原二叠纪至侏罗纪地层（图源@Matt Affolter）

年代地层单位的顶、

底界线为等时面，

亦被称为年代地层面(年代面) 。

形成年代地层单位的

地质时间单位称为

地质年代单位

(geochronologic units)。

由高到低可将

年代地层单位划分为

五个级别：

宇、界、系、统、阶。

每个年代地层单位

都严格对应着

地质年代单位，分别为：

宙、代、纪、世、期。

地质学家们根据

地壳岩石的年龄及形成时间,

进行了年代地层分类。

并建立了一个

全球标准年代地层表。

国际年代地层表（英文版）

该表是对已定义

并命名的年代地层单位

进行系统排列的

一个完整的等级系列，

兼有区域和世界的可应用性。

国际年代地层表（中文版）

全球标准年代地层表作为

将所有岩石与地球历史

相联系的标准框架，

包含了整个

地质时代的所有地层，

成为了划分地质历史的

最重要的依据！

（图源@NASA）

参考资料：

[1] 龚一鸣. 地层学基础与前沿[M]. 中国地质大学出版社, 2007.

[2] 王龙, 张瑞, 华柑霖,等. 从地层记录的时空有序性解读地层学发展[J]. 沉积学报, 2018, 036(006):1059-1074.

[3] 王鸿祯. 地层学的几个基本问题及中国地层学可能的发展趋势[J]. 地层学杂志, 2006(02):3-8.

[4] 万晓樵, 2], 王成善,等. 从地层到地时[J]. 地学前缘, 2014(2):1-7.

[5] Murphy M A , Salvador A . International Subcommission on Stratigraphic Classification of IUGS International Commission on Stratigraphy - International Stratigraphic Guide - An Abridged Version[J]. Episodes, 2000, 5(2):231-266.

[6] Riccardi, Alberto. (2005). Stratigraphy, GSSP and Time. Proeedings XVI Congreso Geológico Argentino. 1. 287-294.

[7] 王乃文, 郭宪璞, 刘羽. 非史密斯地层学简介[J]. 地质论评, 1994(05):98+10.

[8] Riccardi, Alberto. (2005). Stratigraphy, GSSP and Time. Proeedings XVI Congreso Geológico Argentino. 1. 287-294.

[9] Torres, Juan. (1994). Estratigrafía. Principios y métodos.

[10] 王五力. 试论构造地层学、非史密斯地层学和造山带地层学[J]. 地层学杂志, 2000(S1):352-358.

USGS、NASA、ENCYCLOPEDIA BRITANNICA、YouTube、Unsplash、维基百科、搜狐、百度百科等

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