中國地層學研究近期面臨的主要問題

姚建新, 李 亞, 侯鴻飛, 紀占勝, 武桂春, 武振杰, 李素萍, 郭彩清,張利偉, 孟美岑, 薄婧方

中國地質科學院地質研究所, 國土資源部地層與古生物重點實驗室, 北京 100037

中國地層學研究近期面臨的主要問題

姚建新, 李 亞, 侯鴻飛, 紀占勝, 武桂春, 武振杰, 李素萍, 郭彩清,張利偉, 孟美岑, 薄婧方

中國地質科學院地質研究所, 國土資源部地層與古生物重點實驗室, 北京 100037

地層中包含了地球演化過程的許多重要信息, 它是建立全球地質年代系統的重要基礎。統一年代地層系統的建立有利于促進基礎地質工作、礦產資源勘查、地質環境評價和地質災害預測與防治等各項事業的發展, 因此一直受到廣大地質工作者的高度重視。目前在《國際地層表》已建的110個階中, 已有 65個全球界線層型剖面和點位(簡稱 GSSP)被國際地層委員會和國際地質科學聯合會批準確認, 其中有 10個GSSP被確立在中國, 我國是擁有GSSP最多的國家。在中國區域年代地層表的102個階中, 也有59個階得到了較深入的研究, 并建立了部分地層單位的劃分對比標準。雖然我國的地層學研究取得了許多重要成果,但是在中國區域地層標準的建立與完善以及區域地層單位與 GSSP的對比、變形和變質較強烈地區地層學研究方法的確定、廣泛分布的中新生代陸相地層劃分對比、中國典型地層剖面保護和規范化研究等方面還存在諸多尚未解決的重要問題, 急待深入研究。

中國; 地層學; 主要問題; 地質年代系統; 全球界線層型剖面和點位

地層是一部記錄了地球和生物形成演化歷史的百科書。地層中包含了地球演化過程的許多重要信息, 它是建立全球地質年代系統的重要基礎。統一年代地層系統的建立有利于促進基礎地質工作、礦產資源勘查、地質環境評價和地質災害預測與防治等各項事業的發展(王澤九等, 2006)。地層學與地質生產實踐和地質調查關系尤為密切, 從 1815年英國著名地質學家、化石層序律奠基人威廉·史密斯(William Smith)完成了首張英格蘭和威爾士的現代地質圖起, 200年來, 在世界各國進行的區域地質調查中所產生的、以地層學為基礎的各種比例尺地質圖件, 已在各國的礦產資源普查和勘探、工程建設、抗擊地質災害等地質生產實踐中發揮了重要的作用(萬曉樵等, 2014)。因此, 作為地質工作的基礎和礦產勘察的根基, 全球地質年代系統在地學研究中占有十分重要的地位, 它的研究程度直接制約和影響其他地學學科的發展。本文將在簡要回顧近期地層學研究重要進展的基礎上, 探討我國地層學發展面臨的主要問題。

1 近期地層學研究取得的重要進展

由于階是地質年代系統的基本單位, 是進行地層劃分對比和編制地質類圖件的基礎, 地層建階研究就成為整個地學研究和地質工作中的一項十分重要的基礎性建設工作, 歷來受到世界各國廣大地層工作者及其相關組織的廣泛關注和高度重視。

1.1 全球界線層型剖面和點位研究進展

“全球標準層型剖面和點位”(以下簡稱GSSP)是劃分和定義全球年代地層基本工作單位“階”的底界的國際標準。由于年代地層的等級系列中高等級單位的底界, 總是與其最低下屬單位的底界一致,因而有些階的GSSP也是定義一系列更高等級的單位(如統、系、界、宇)底界的國際標準。有了這個統一標準, 或稱“共同語言”, 各方面才有可能進行準確的交流(彭善池, 2014)。從20世紀70年代起,國際地層委員會就組織各國有關專家按斷代, 開展了全球界線層型剖面和點位的研究; 并以此為依據,編制和不斷更新國際地層表, 以便建立起全球的地層劃分對比的統一標準。截止2014年, 在《國際地層表》已建的110個階中, 已有65個GSSP被國際地層委員會和國際地質科學聯合會批準確認, 其中有 10個 GSSP被確立在中國, 使我國成為擁有GSSP最多的國家。這10個GSSP分別為: 湖南古丈羅依溪寒武系古丈階底界的 GSSP(Peng et al., 2009)、湖南花垣排碧寒武系排碧階底界的GSSP(Peng et al., 2004)、浙江江山縣碓邊村寒武系江山階底界的 GSSP(彭善池, 2011; Peng et al., 2012)、湖北宜昌黃花場奧陶系大坪階底界的GSSP (Wang et al., 2005; Chen et al., 2009)、浙江常山黃泥塘奧陶系達瑞威爾階底界的 GSSP(陳旭等, 1997; Mitchell et al., 1997)、湖北宜昌王家灣奧陶系赫南特階底界的GSSP(Chen et al., 2006)、廣西柳州碰沖石炭系維憲階底界的GSSP(Devuyst et al., 2003; 侯鴻飛等, 2008)、廣西來賓蓬萊灘二疊系樂平統下部吳家坪階底界的GSSP(Jin et al., 2006)、浙江長興煤山二疊系樂平統上部長興階底界的GSSP(金玉玕等, 2007)、浙江長興煤山二疊系—三疊系界線的GSSP(Yin et al., 2001)。這些成果促進了我國地層學研究與國際研究的盡快接軌, 大大提高了我國地層學研究的國際地位。

為解決國際地質科學聯合會(IUGS)向國際地層委員會(ICS)提出的要求((1)加速完成顯生宙各個系、階的全球層型剖面和點位(GSSPs)的選定工作,不再無限期地拖下去了; (2)如何確定國際地層委員會(ICS)的未來使命和發展方向), 國際地層委員會(ICS)領導人于2002年6月中旬在意大利中部烏爾比諾鎮(Urbino)烏爾比諾大學地質系召開了“地層學的未來方向”討論會。出席這次會議的包括國際地層委員會各系地層分會主席以及地層分類分會負責人等。會議的主要目的是讓各分會主席在國際地層委員會未來的方向和組織結構方面達成比較一致的意見。經過深入討論, 國際地層委員會認為地層學研究的使命是通過多學科、多手段的研究, 更好地理解地球的歷史。未來的發展目標是追求國際的共同語言, 達成全球對地球歷史的理解具有共同的標準(語言)。未來的主要工作內容包括: ①國際地質年代分辨率的標準化和繼續改進, 更深入地從區域對比發展到全球對比, ②在理解地球演化過程中建立起地層格架和對比關系, 更真實地認識地球演變的歷史。要達到上述目的必須要使國際地層學概念標準化, 繼續改進國際地質年表的分辨率, 用新的地層學方法深化從區域到全球的地層對比(戎嘉余, 2003)。

2010年國際地層委員會又在捷克布拉格召開了“GSSP概念”的專題討論會。各系的分委會主席、秘書長及有關專家出席了會議。會議確定不再對 GSSP的完成時間設下限, 強調在應用生物地層上以某一生物門類首現定義界線的同時, 要更多地引入其他諸如磁性地層、穩定同位素、事件地層、層序地層等多種非生物地層方法, 以利全球對比的實現。同時建議今后加強輔助剖面或參考剖面的研究, 以幫助與 GSSP的對比, 提高 GSSP的使用效果。上述這些認識和決定進一步明確了國際地層學研究的任務和發展方向。

1.2 近期我國地層建階研究重要進展

在過去較長一段時期內, 我國的地層建階工作未引起足夠的重視。只有少部分專家在局部的一些層段(如寒武系、奧陶系、泥盆系等)進行了一些初始的地層建階研究。基本上都是根據生物組合直接由巖石地層單位轉換而來。對于全國性的地層建階工作缺乏統一的組織和規劃, 沒有統一的標準, 致使所建階的定義不清、標準不一致, 而且隨意性很大, 甚至存在同一層位由于不同專家研究, 命名各不相同, 含義也不盡相同, 造成“混亂”局面。從20世紀 80年代后期開始, 部分地層古生物專家按照《國際地層指南》關于建階的要求開展了我國的地層建階研究。直到21世紀, 在全國地層委員會組織和領導下, 我國的地層建階工作才系統開展, 并取得了重要進展, 編輯出版了中國地層指南及中國地層指南說明書(修訂版)(全國地層委員會, 2001)和中國區域年代地層(地質年代)表說明書(全國地層委員會, 2002); 在中國區域年代地層(地質年代)表中一共確定了 102個階(包括海相和陸相), 其中的59個階得到較深入的研究, 建立了一些地層單位的劃分對比標準(全國地層委員會, 2008, 2012); 進行了包括生物地層、年代地層、巖石地層、磁性地層、化學地層、事件地層等內容在內的新一代中國地層表的修編(王澤九等, 2014), 進一步確定了中國與國際年代地層系統的對比關系(見表 1); 組織地礦系統、中國科學院和大專院校地層學家對《中國地層指南》進行了修編; 組織召開了多次野外現場討論會, 對一些有爭議的關鍵地層問題進行研討, 并達成初步共識。

針對中國前寒武紀地層發育特點, 采用原位定年技術, 對我國前寒武紀地層進行了深入研究, 在太古宙和元古宙地層時代的確定和地層格架建立方面都取得了重要進展(高林志等, 2009, 2011; 陸松年等, 2010; 陳文等, 2011; 萬渝生等, 2012)。另外,通過各部門地層學家的深入的研究和總結, 還出版了一批重要的地層學著作, 解決了一些疑難地層問題(中國科學院南京地質古生物研究所, 2000, 2013;高振家等, 2000; 汪嘯風等, 2005)。上述這些工作進一步提高了我國階的成熟度和地層研究的整體水平。

2 中國地層研究存在的問題

雖然中國地層研究和地層工作取得了重要進展, 但與歐美等發達國家相比還有一些差距, 主要體現在以下幾方面。

2.1 中國區域地層單位與全球標準層型剖面和點位(GSSP)的對比

全球標準層型剖面和點位(GSSP)是劃分和定義全球年代地層基本工作單位“階”的底界的國際標準, 其中的“點位”是“嵌入”巖層中的一個特殊的地理點(a point in rock), 它同時也對應一個時間點(等時線、等時面)(彭善池, 2014)。

我國的地層學家參照國際GSSP的標準開展了地層建階研究, 建立了我國大部分古生代海相地層的劃分對比標準。由于我國幅員廣闊, 不同地層區地層發育差異較大, 很難與 GSSP和我國地層建階剖面進行直接對比, 在可與 GSSP進行對比的中間橋梁(區域性地層標準和區域地層系統)不夠完善的情況下, 區域地層研究和地質調查過程中一些地層的劃分對比就顯得有些依據不足, 一些新建地層單位也不夠規范、與《地層指南》要求差距較大, 其區域可比性相對差, 從而影響了存在爭議的地層問題的及時解決、地質調查和資源勘查工作的開展,亟需在國際年代地層統一框架下, 建立和完善中國的區域地層劃分對比標準, 并建立起與 GSSP的對比關系。

2.2 造山帶地層研究方法的確定

中國大陸地殼組成和結構最基本特征是由一系列不同時期多島弧盆系轉化為造山系構造域圍限的華北、揚子、塔里木三大陸塊; 中國東部在中生代以來深部軟流層上涌, 區域巖石圈拆沉去根, 引發地殼伸展形成疊加造山裂谷構造系統。基于上述特征潘桂堂等(2009)劃分出中國的大地構造環境主要為由陸塊區、造山系和疊加造山(裂谷)系組成的一級構造單元。造山系和疊加造山系一般都經歷了板塊裂解與拼合的復雜演化過程, 造山帶地層體在造山帶洋盆會聚、俯沖消亡和陸內造山階段, 發生過強烈的構造搬運和構造混雜。這就使得這些地區的地層學研究更加復雜, 傳統地層學手段似乎鞭長莫及,需要采用非常規地層或造山帶非史密斯地層研究方法來建立造山帶變形和變質較強烈地區地層系統理論模型和工作方法, 以利于恢復造山帶形成和演化歷程。我國的一些地層學家開展了這方面的初步研究, 但概念和工作方法方面仍存在一些不同的認識(馮慶來, 1993, 1999; 王乃文等, 1994; 龔一鳴等, 1996; 方宗杰, 1998; 殷鴻福等, 1999; 杜遠生等, 1999; 王五力, 2000; 張克信等, 2003, 2014)。

表1 中國地層表(簡版)(根據中國地層表簡化(王澤九等, 2014))Table 1 Stratigraphic Chart of China (simplified chart) (modified after WANG et al., 2014)

2.3 中新生代陸相地層的劃分對比

除青藏地區外, 從晚三疊世開始, 我國大部分地區都逐漸轉為陸相沉積。雖然經過多年的工作,陸相地層和古生物等資料也有相當的積累, 但由于陸相地層受水系、盆地性質等因素的制約明顯, 地層連續性差、相變大, 給選擇代表性剖面和進行地層劃分對比增加很大難度。同時, 陸相生物群也受地域、水系性質和氣候等因素制約明顯, 而且陸生生物的演化不如海生生物明顯, 因此, 各陸相地層單位在確立其底界的生物識別標志和建立起可作為大區域內劃分對比標準的單位層型內的生物組合(帶)序列方面存在較大困難, 需要做比海相階更艱巨、深入細致的研究工作才能逐步解決。

圖1 保護前的貴州關嶺三疊系關嶺剖面Fig.1 The Guanling section of Triassic, Guizhou, before protection

圖2 保護后的貴州關嶺三疊系關嶺剖面Fig.2 The Guanling section of Triassic, Guizhou, after protection

2.4 典型地層剖面的保護和規范化研究

地層剖面是地層學研究的重要依據。我們在GSSP和地層建階研究中取得的重要成果都有賴于我國發育良好、得“地”獨厚的實際地層剖面, 有賴于長期持續不間斷的細致研究和國內外的有效合作。從目前的情況看, 在典型地層剖面保護和規范化研究方面還存在以下問題和不足: (1)同一剖面,由于不同單位、不同人員、不同目的, 對地層剖面“層”的劃分差別甚大, 或按自然層, 或按巖性組合, 甚至層序地層。(2)同一剖面, 由于地層的劃分不一樣, 不同人員或單位在露頭上按各自的分層,標志不同的編號。(3)由于剖面分層和測量方法的不同, 同一剖面的厚度往往也有差別。(4)隨修建道路、巖石開采、房屋修建等基本建設規模擴大, 使一些國內外著名的經典剖面遭到無法挽回的嚴重破壞,難以進行持續性研究, 需要加以有效保護和科學的規范化利用(圖1, 2)。

3 近期地層工作的重點

針對上述地層學研究中存在主要問題和未來發展的需求, 對近期我們需要進一步加強的工作提幾點建議。

(1)按照國際地層指南和中國地層指南的要求,完善各地層區或重要地層小區的區域地層劃分對比標準, 為區域地層學研究和地質調查提供地層學參考依據。同時繼續加強寒武系、石炭系、二疊系、三疊系等有利斷代的 GSSP研究, 爭取能有更多GSSP確立在中國。

(2)參考GSSP和中國地層建階研究成果, 建立區域地層單位與GSSP和中國地層建階標準的對比關系, 既能提高 GSSP和中國地層標準應用價值,又能進一步提升區域地層劃分和對比的整體水平,有效促進中國區域地層學研究和地質調查工作更好地與國際接軌, 實現國際地層委員會提出的更深入地從區域對比發展到全球對比的目標。

(3)針對中國地質演化特點, 加強造山帶地區地層學的試點研究, 爭取能在構造復雜地區地層研究的理論和方法上有所突破, 切實解決一些重要造山帶地區的地層問題。

(4)針對中國中新生代以陸相沉積為主的情況,選擇在區域上有代表性的剖面開展陸相地層單位層型研究, 建立陸相地層的區域地層劃分對比標準;同時借助磁性地層、化學地層、穩定同位素、事件地層、層序地層等多種非生物地層方法建立陸相地層與國際海相地層的對比關系。

(5)將中國典型地層剖面保護和規范化研究作為我國生態文明建設的重要內容, 在國土資源部、中國地質調查局和有關部門的支持下, 制定中國經典地層剖面保護辦法和評定標準, 發布中國典型地層剖面保護名錄, 協助和指導地方政府和部門開展典型地層剖面保護和規范化研究, 為我國地質工作未來的發展和地質資源的保護以及科學普及工作的開展奠定堅實的基礎。

致謝:感謝全國地層委員會和王澤九常務副主任對本文編寫提供的支持和幫助。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos.1212011120142, 12120114026701, 1212011120115, 1212011120116 and 1211402108021), Basic Research Project of Ministry of Science and Technology, China (No.2015FY310100), National Program on Key Basic Research Project (No.2011CB403002) and National Natural Science Foun-dation of China (No.41472030).

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Some Problems in Recent Stratigraphic Researches of China

YAO Jian-xin, LI Ya, HOU Hong-fei, JI Zhan-sheng, WU Gui-chun, WU Zhen-jie, LI Su-ping, GUO Cai-qing, ZHANG Li-wei, MENG Mei-cen, BO Jing-fang
Key Laboratory of Stratigraphy and Paleontology, Ministry of Land and Resources, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

There exists abundant important information about the process of earth evolution in the stratigraphy.The system of Global Geologic Time Scale is established based on the stratigraphic research.The establishment of unified Geologic Time Scale can bring about an advance in basic geological research, mineral resources prospecting, geological environment assessment, and geological hazard forecast, prevention and control.Therefore, great importance has been attached to this problem by geologists of various research fields.There are 110 stages in the International Chronostratigraphic Chart.Among them, Global Boundary Stratotype Section and Point (GSSP) of 65 stages are confirmed by the International Commission on Stratigraphy and International Union of Geological Sciences.Ten GSSPs are selected and established in China, making China a country possessing the most GSSPs in the world.There are 102 stages in the Regional Chronostratigraphic Chart of China, in which 59 stages of sections have been given a thorough investigation and study.In addition, some standards of stratigraphic division and correlation of China have been established.Although numerous important achievements have been made in Chinese stratigraphy, there still exist some critical stratigraphic problems which urgently need further thorough investigation, such as establishment and perfection of the regional stratigraphic standards, correlation between regional stratigraphic units of China and the GSSP, establishment of the research methods forstratigraphy of the intensively deformed or intensely metamorphic regions, Mesozoic and Cenozoic continental stratigraphic division and correlation, and protection and standardization of the typical stratigraphic sections of China.

China; stratigraphy; major problems; chronostratigraphy; GSSP

P534; P539

A

10.3975/cagsb.2015.05.02