疊層石

疊層石的基本構造單位叫基本層，一般為弧形或錐形。基本層構成集合體，呈柱狀、錐狀、棒棰狀等形態，有的呈牆狀。

中元古代（20億年前到7億年前）是地史上疊層石最繁盛的時期，其分佈廣泛、形態多樣。後生動物出現（7億年前）以後疊層石驟然衰落。古生代寒武紀至泥盆紀疊層石數量和分佈範圍有限，但仍不難見到。泥盆紀以後疊層石只是殘存了。現代海相疊層石只分佈在澳大利亞、中美洲、中東等地的少數地區的特殊環境中。通常疊層石產出於灰岩和白雲岩中，有些疊層石發育在燧石、磷酸鹽岩（膠磷礦）中，由磁鐵礦和赤鐵礦構成的疊層石以及錳疊層石也頗為常見。

基本層又叫生長層，是構成疊層石體的基本單元。它通常由暗層及亮層兩部分組成，藻類生活狀況及自然條件的周期變化形成疊層石的原生亮暗層理。疊層石的基本層形態有兩種主要類型：①拱形基本層；②錐形基本層。

柱體形態主要受基本層形態的控制，同時受環境影響。根據柱體自上而下直徑的變化，柱體形態可以分為兩種基本類型。一是圓柱狀或次圓柱狀柱體，柱體直徑自下而上無顯著變化。二是杯狀或莖塊狀柱體，柱體一般較短，基部很窄，向上很快不斷地增寬。

根據Walter(1983)的統計，已知在澳大利亞、北美和南非三個不同大陸的11個地點發現了太古宙的疊層石，其年齡都在25億年以上。

現代疊層石主要分佈於北美巴哈馬群島和西澳大利亞沙克灣（Shark Bay）。

最古老的疊層石發現於踞今約28億年前的南非布拉瓦白雲岩中。不分叉的疊層石出現在距今25—27億年前，分叉的柱狀疊層石主要繁盛於20億年前到6億年前，隨後逐漸衰落。現代的疊層石主要分佈在北美巴哈馬群島和西澳大利亞沙克灣。我國最著名的疊層石產地是天津薊縣國家地質公園，那裡疊層石非常壯觀，甚至整座山都是疊層石。我國北方很多地方都分佈有中新元古代的沉積岩，那裡都有可能找到疊層石，如北京的房山區的西部，昌平的南口。

2017年2月 26日，重慶酉陽古生物調查組在酉陽板溪鎮附近，發現了面積約1.8平方千米的寒武紀疊層石。據悉，去年10月酉陽后坪鄉也曾發現疊層石，而此次發現是重慶境內的第二次發現。

為解讀疊層石中豐富的古環境信息，屈原皋等在北京周口店西南的拴馬庄剖面上，選取高程135米，地質年代約10億年前，包含水平狀、波狀、穹隆狀、包菜狀、分枝狀、柱狀、S型等各種形態的疊層石構造，通過實地剖面觀測、樣品顯微鏡觀測等手段，對其岩性、紋層、形態等進行了詳盡的分析。發現疊層石主體岩性為白雲岩，所含礦物95%以上是白雲石，有少量長石碎屑和石英，在顯微鏡下可以看到明顯的亮暗分層。研究者通過對S型疊層石樣品的綜合觀察，統計其中300多個紋層的厚度值發現，一個完整的S型疊層石包含紋層至少為470，由此推斷該岩石沉積時，一年至少有470天。同時，根據這些紋層周期性的厚度變化，發現相鄰兩個厚度峰值間隔36到40個紋層，顯示當時一個月至少有40天。進行必要的數理統計分析，考慮可能引起誤差的相關因素后確定，當時一年的天數至少為516±20，包括12.9±0.5個月，進而在不考慮地球公轉周期變化的前提下，算出一天的長度為16.99±0.66小時。最後根據S型疊層石的形態，算出當時的黃赤交角大於現在的23°27’，應為29.2°～30.6°。

現在科學界普遍認為，由於月球逐漸遠離地球和潮汐作用對能量的消耗，地球自轉和月球繞地公轉的速度，都在不斷減慢，地球的黃赤交角也在不斷減小，此次的研究結果支持這一總體演變趨勢。雖然這一研究已取得初步結論，但疊層石紋層的厚度周期變化具體的形成機制，還有待進一步的深入研究。

疊層石是藻類繁衍生息形成的生物遺跡岩石。元古代疊層石生長於潮上帶、潮間帶和潮下帶的濱海地區。元古代藻類——絲體藻主要生活在平坦的沉積碳酸鹽岩表面之上10mm的範圍內。從元古代的含藻類的燧石切片看，絲體藻像水蛇或章魚一樣完全自由、舒展地漂浮在海水溶液中，而不是生活在洞穴中。假如當時疊層石所生活的海洋中有海浪或海流的話，藻類又沒有什麼可抓扶的地方，必然會被海水沖走。然而疊層石是藻類世世代代在一個固定地方生息形成的，藻類沒有被海水沖走，說明藻類生存在靜水環境之中。因此說疊層石所生活的海水和海岸是沒有海浪和海流的，即使有也非常微弱，且海浪高度應該不超過10cm。海浪微弱說明當地的風力也很微弱，不超過1級。如果海流存在的話，海流會使海水裡鈣鎂離子的濃度達到均一，飽和程度和沉積厚度一致，而元古代地層里碳酸鹽岩的厚薄相差極大，因此說海流不存在。

從世界各地疊層石統計資料來看，疊層石只生成於較純凈的碳酸鹽岩中或燧石中，而不會生成於黏土岩或碎屑岩中，甚至含泥較多的碳酸鹽岩中也沒有疊層石。也就是說，疊層石只生存於清潔的海水中，因為有黏土沉積的話，藻類群就會被掩埋掉，這說明黏土沒進入海洋中。而黏土沒有進入海洋中，需要具備兩個條件：一、不能有河流入海（有河流的話，黏土會被帶入海洋）；二、不能有稍大的風。因此說疊層石存在的地方，必然具備下述4種地理環境特徵：1、無風（微風）；2、沒有海浪或者是微浪；3、沒有海流；4、沒有河流。也就是說，疊層石能指示上述4種地理環境特徵。

在中上元古代時段，全球七大洲都分佈有大量的疊層石，如北非茅利塔尼亞、南非、印度、阿富汗；中國的薊縣、神農架，都存在大量的疊層石，疊層石几乎無處不在。因此上述4種地理環境特徵，在當時是全球普遍存在的。

根據疊層石的生存環境特徵可知，疊層石是生長於靜水之中的產物，因此不少學者認為，疊層石生長在瀉湖之中。持瀉湖觀點的認為，在湖的外圍有條壩，將瀉湖和大洋隔開；壩上只有一個窄小的通道，使潮汐通過，卻能將海流和海浪擋在壩外。但是，假設疊層石生長於瀉湖中，由於疊層石生長於潮坪地帶，也就是瀉湖裡的海水同大洋一樣潮起潮落。瀉湖裡的潮差應為1m，那麼瀉湖每天要更換1m深的新鮮水。元古代的疊層石都生長在較淺的地表海里，水深在20m以內，那麼瀉湖裡的水20天就要被更換一遍。

由於元古代深海里沒有燧石沉積和碳酸鹽岩沉積，因此大洋里的硅酸和碳酸鹽是不飽和的。如果瀉湖的水被大洋水快速地更換，瀉湖裡的硅酸和碳酸鹽就不能飽和，因此燧石和碳酸鹽在瀉湖裡就不能沉積下來。這和實際情況是不符的，因此說，認為生長於潮坪地帶的疊層石是生長在瀉湖裡的觀點是錯誤的。由於元古代，全球各地的疊層石基本上都生長於潮坪地帶（有潮水的地方），因此，元古代的疊層石都不生長於瀉湖內，是生長於大洋的正常的海濱地帶，是開放的海，而不是封閉的。

根據疊層石的指示特性，已知疊層石所處海域沒有海浪和海流，元古代的疊層石又都生成於開放海，說明沒有海浪從大洋傳播過來，也沒有海流從大洋流過來。這種現象的解釋是：整個大洋是滯流的，大洋的水體近乎於靜止，沒有像太平洋赤道海流、黑潮、墨西哥灣流這樣的海流。由於這些海流是靠赤道信風來推動的，因此推斷赤道信風也沒有。整個大洋里沒有海浪，說明大洋里沒有赤道信風、西風帶這樣的大型風場，也沒有高強度的颱風。因為這3種風，任何一個存在，都會在大洋里掀起大浪，並傳播到大洋的各個角落。

低緯度地區也是赤道幅合帶復蓋的地區，是全球降雨量最多的地區，根據疊層石的指示，在元古代，低緯度地區沒有河流。降雨量多的地區尚且如此乾旱，其他地區年降雨量就更少了。因此降雨量少是全球普遍存在的，同時證明，赤道幅合帶也不存在。

在海洋里，洋流和漁場是一對密不可分的孿生兄弟，洋流沉降的地方必然是漁場所在地，而且漁場里的海洋生物量同洋流沉降的流量成正比關係。本來海流是在風力的作用下形成的，但在暖流、黑潮或灣流與寒流匯合的地方，由於黑潮像樹枝一樣分出很多支流，流向四面八方，並有寒流迎面“駛”來，此時海流的

流向，同風的流向完全不一致，甚至相反，因此說明此時海流的流向，已不受風的控制。這些都證明海流是在元古代之後形成的。

黑潮和來自北極的寒流在日本的東北部匯合，形成黑潮水域和寒流水域，中間夾著漩渦狀的混合水域，黑潮彎曲著向東流去。寒流先潛入混合水域下，然後進入暖流的下層，並同暖流一起向下游流去。由於寒流在暖流的下層，形成極大的溫差。巨大溫差使寒流溫度很快升高，由於寒流的含鹽量低，寒流的密度相對於周圍水體很快變小、變輕，於是上升到海水表面。寒流水在上升過程中，經過暖流，使暖流溫度降低。由於暖流海水含鹽量高，於是暖流水密度變大、變重，沉入海底。由於這裡海洋生物和魚特別多，生物的擾動又加速了海水的混合。混合水域中，生物量巨大，包括大量的藻類，藻類釋放出大量的氧氣，因此，混合水域里300m深處以上的水層里的含氧量極高，平均達到5L氧氣/1t海水，這些氧氣使海水的密度降低了0.5%，正因如此，寒流才潛入混合水域300m深處的位置，位於含氧量高的水層的底部。

只有寒流下潛，才能使暖流和寒流在上下層之間進行迅速的垂直混合，使暖流垂直下沉。如果寒流不下潛，和暖流在海洋表面平行併流，要想在水平方向進行混合是不可能的，海流也就無法下沉。而寒流下潛是在海洋藻類釋放的氧氣的幫助下，使混合水體變輕后才完成的，因此說，海洋生物在海流沉降過程中起著不可缺少的決定性作用。而海流沉降是大洋環流的一個必要環節，因此，沒有海洋生物，就沒有大洋環流。

厄爾尼諾現象證明海流和大氣環流之間有密不可分的關係，由此可見，生物圈、河流、海流和大氣環流相互有機融為一體，構成一個完整的、有機的系統。

到了7億年前的震旦紀，出現地史上第一次大範圍冰川，說明地表的降雨量增大，地層里的黏土岩和砂岩比例開始增多，並逐漸佔據主要比例。因此說明，這時地表的風化能力和搬運能力增加了，即風力增大，河流和海流出現，同時海浪增大。這樣的氣候和地理環境已不適合疊層石生存，因此說疊層石在7億年前迅速衰落是由於氣候和地理環境變化造成的。

最近，中科院南京地質古生物研究所、國際志留委員會副主席、中科院院士，博士生導師戎嘉余等專家一行9人，在黔北地區桐梓縣進行地質工作考察時，在該縣代家溝和茅石鄉兩地發現了4億多年前由菌藻類形成的水平狀疊層石。據稱，該“疊層石”系華南地區首次被發現，這也是世界上第五次被發現，在地質史上極具重大意義。

疊層石”它的主要價值在於：用它來劃分、對比某一地區的地層、地理、生物，環境的演變及滅絕規律。它曾被海內外地質學家推崇為世界同一地質時期的“標準層型剖面”、世界罕見的“地質瑰寶”、“大地的史書”。用它雕刻出來的作品具有很高的藝術價值，黨和國家領導人曾以疊層石作為饋贈國際友人的高級禮品。

據介紹，專家組在對桐梓縣紅花園“全球型淺海相地質剖面”的輔助點——代家溝進行為期一周的野外標本採集后，竟在該縣石牛欄組發現了在4億多年前由菌藻類形成的水平狀疊層石。同時，專家組在該縣茅石鄉也發現了一處。據戎嘉余專家介紹，這是秦嶺以南、淮河以西地質的華南地區首次被發現，也是世界上第五處被發現，在地質史上有極其重大的意義。

疊層石，即藍藻，是靠光合作用自養的。由於光合作用，這種一度統治了地球的生物產生了大量的氧氣。

而當時地球的海洋里有大量的鐵元素。鐵被氧化后便從水中分離出來，沉積在海底，經過數百萬年形成了如今的各大鐵礦。

疊層石最大的功勞卻不是“成鐵”，而是產生了地球大氣中約21%的氧氣。

在這些晦暗的石頭上，充滿了生命，每平方米的岩石上生活著36億個微生物，它們在釋放氧氣。花了20億年的時間，大約40%的地球歷史，大氣中的氧含量才接近20%。

海洋中所含的鐵並不能阻止氧氣浮出海面。在這些鐵元素被氧化殆盡后，幾乎覆蓋了所有海洋淺灘的疊層石一如既往地產生著大量的氧氣。當這些氧氣破水而出時，地球不再是一顆被火山氣體覆蓋的星球，而是一支煥然一新的宜居的生命的搖籃。

可以說是疊層石產生的氧使地球適宜孕育更多的高等生命，它為此後的生物進化掃清了大氣無氧的障礙，為生命史的下一章也是更複雜的一章鋪平了道路。

可以說，疊層石默默工作20億年，是地球能夠進化出複雜生命的關鍵。

研究疊層石的成因必須從研究現代疊層石入手。它們主要是層紋狀疊層石，頭狀的柱狀疊層石，球狀疊層石等。在溫泉中還可發現藍藻所形成的近乎錐狀疊層石的構造。

現代疊層石主要生長於潮間帶。生活於水下，但可露出水面。水體可以是正常海水、亦可以是咸化或淡化瀉湖。

①藍藻藻叢的生長發育；

②有一定數量的細小沉積顆粒供藍藻的膠鞘粘附；

③水底的底流不太強烈，水底物質的位置相對穩定；

④疊層石增長速度大於它的剝蝕速度；

⑤疊層石在生長過程中應迅速得到固結，否則就會垮塌，不能具備形態學特徵。

古代疊層石主要保存於石灰岩、白雲岩中。在燧石層、磷塊岩、鐵礦中，甚至砂岩中也可發現疊層石。

疊層石命名採用雙名法。在分類級別上可使用獨特的類（type）、亞類（subtype）、超群（supergroup）、群(group)、型（form）五級分類系統。

Tungussia Semikhatov(通古斯疊層石) 柱體呈塊莖狀或不規則假圓柱狀，母柱體粗大，從母柱體上長出眾多的子柱體（可以是5-10個子柱體）。子柱體可以是斜向生長，也可以橫向生長。有時在橫向或斜向生長的子柱體又長出向上生長的次一級子柱體、形成屈膝狀。基本層為不規則拱形，可具環檐，局部具體壁。主要產出時代為13.5億年前至5.7億年前。

中國科學院南京地質古生物研究所早古生代研究團隊博士研究生於深洋在李啟劍博士和李越研究員的指導下，聯合英國布魯內爾大學Stephen Kershaw博士，對安徽南部下奧陶統地層進行了多次野外科學考察，系統採集了不同剖面特馬豆克階侖山組的疊層石樣品，並通過顯微薄片開展了深入研究。相關成果已於近期在國際期刊Facies上在線發表。

在較近岸的北貢剖面，疊層石礁呈平緩的穹隆狀，微生物岩主體由纖維狀鈣質微生物（藍細菌）構成狀，單個疊層石柱可高達1米，同時缺乏棘皮動物等底棲固著生物。與這些碳酸岩台地邊緣的疊層石形成對比，更遠岸剖面斜坡相的大塢圲組組因進入無光帶而缺乏微生物礁。

微生物岩的宏觀和微相特徵顯示揚子台地東緣特馬豆克階侖山組疊層石的古地理分異主要受控於古水深。與揚子台地西部陸表海域相比，該研究聚焦的安徽南部案例顯示出微生物礁主導的特點，底棲後生動物鮮見，不但說明後生動物礁替代微生物礁的過程具有強烈的地區差異，也印證了早奧陶之初確實是顯生宙中微生物岩最豐富的時期之一，代表了疊層石最後的黃金時期。該研究為生物礁生態系統的早期演化提供了重要線索。