在遥远的过去，大约五亿年前，也就是在寒武纪的时候，今天我们看到的美国大峡谷是一片完全不同的景象。那个时候，这里并不是干燥的山谷，而是一片充满神秘生物的海洋。最近，科学家们对大峡谷中的古老岩石进行了一次大探秘，他们发现了许多新奇的地质秘密，就像打开了地球的时光机，带我们回到那片远古海洋中去。这篇研究，2024年10月底发表在了《美国地质学会今日》（GSA Today）期刊上，标题是《大峡谷的寒武纪：对经典地层模型的改进》。
研究这些岩石的科学家们惊讶地发现，寒武纪的海洋环境是多变的——海水时而上涨，时而退去，就像地球的潮水在跳一支舞。而这些变化并不是一次性完成的，而是经历了多次“海进”和“海退”的过程。这些古老的海水留下的沉积层里，有沙滩的沙子、浅海的泥土、还有深海里的灰色石灰岩。这些岩层，就像一本大书，记录了地球的每一次海洋进退。另外，科学家们还发现了一些有趣的间断层，这些“间断”就像书页中被撕掉的部分，可能是海洋退去时风吹雨打留下的痕迹。更神奇的是，科学家们在这些岩石中找到了一些古老的生物化石！这些生物长相奇特，有些像巨大的甲壳虫，叫三叶虫（trilobites），它们在寒武纪非常繁盛。科学家们通过分析这些三叶虫化石，了解了当时这些生物的生活环境，甚至判断出它们生存的年代。就像侦探一样，这些证据，让我们今天能够得以拼凑出地球早期生态系统的模样，一窥远古的神秘世界。下面，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编就来介绍一下这篇最新的研究的发现。（按/王昆山）
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1945年，地质学家埃德温·麦基（Edwin McKee）曾经提出过一个颇具开创性的概念模型，解释了北美洲大峡谷寒武纪托托群（Cambrian Tonto Group）沉积层的形成过程。麦基的研究将托托群视作一个由浅至深的海洋沉积带，横跨了沉积盘地的缓慢沉降区域。通过观察石英砂岩（Tapeats Sandstone）、布莱特天使页岩（Bright Angel Shale）和穆阿夫石灰岩（Muav Limestone）等地层，他提出托托群代表了大规模的海进事件，即陆地逐渐被海水覆盖，而地质记录上只显示了少量的退潮迹象。这一“麦基模型”影响深远，至今仍出现在许多地质学的教科书中，并为无数地质学家所熟知。然而，随着现代地质学研究技术的发展，人们对麦基模型提出了新的解释和修正，使得该模型得以从多方面得到深化。
托托群（Tonto Group）是位于美国大峡谷地区的一组古老的寒武纪沉积层，包含了石英砂岩、页岩和石灰岩等沉积岩。托托群的岩层展示了复杂的沉积环境和地质变化，尤其是它们与下层前寒武纪岩石之间的“大不整合面”接触，揭示了地球早期历史中长时间的沉积空隙。它记录了寒武纪时期海洋进退变化的地质历史，是地层学和沉积学研究中的经典案例。图源：公域
近年来，随着地层学、沉积学、古生物学和同位素年代学等方法的应用，地质学家们在原始模型基础上引入了许多新发现。这些新的研究成果表明，托托群的形成并非单一的海进事件，而是经历了多次海洋进退，期间还出现了至少五个不同时期的沉积序列。每个沉积序列之间由不整合面分隔，这些不整合面可能代表了沉积物被侵蚀的间歇期。尽管这些地层位于寒武纪时期的热带区域，但并非完全的海洋沉积环境，而是包括辫状河流平原、风成砂丘、边缘海和浅海在内的多种沉积环境的组合。这一新的解释与麦基的早期模型产生了显著差异，而这种差异也反映了地质学研究中不断进步的思想演变。
托托群不仅仅是地层学的经典案例，更成为现代地质学教育中深入理解海进-海退序列的重要教学工具。它揭示了沉积地层如何在时空上记录地球表面环境的变化，并展现了地质学中的诸多基本概念，如沉积相的变化、不整合面的识别和沉积环境的解读。尽管托托群自麦基提出以来历经了多次研究验证，但其最新的诠释却标志着地质学对复杂沉积系统认识的进一步深化。
20世纪中期，麦基通过对大峡谷中托托群沉积层的研究，提出了一种简单而具有直观性的海洋进退模型。该模型借助了沃尔特法则（Walther's Law），即在横向上沉积相的变化可以反映垂向上沉积环境的演变。
他推测，托托群的沉积物经历了从陆地到浅海再到深海的逐步沉降过程。这一过程首先在浅水区沉积了石英砂岩，接着在较深的水域沉积了布莱特天使页岩，最终在最深的区域形成了穆阿夫石灰岩。
麦基认为，这一过程几乎没有受到退潮的显著影响，并将其归因于“地槽”（geosyncline）前的沉积物地形和地壳的缓慢下沉。不过那个时候，麦基所处的年代，还没出现现代地层序列学和板块构造理论（海湿小编注：板块构造理论大概是20世纪60年代才提出来的），所以，他当时的解释依赖于沉积物的外观和位置，而无法涉及地质沉积的更为复杂的动态过程。
上面的这张图，是2021年修订的大峡谷地区地层柱，展示了大峡谷区域的各个地质层和主要的不整合面。图中将地层分为三大类：1. 维什努基底岩层（Vishnu Basement Rocks）；2. 大峡谷超级群（Grand Canyon Supergroup）；3. 分层寒武纪岩层（Layered Paleozoic Rocks）。图中还标出了三大主要的不整合面：1. 大非整合面（Great Nonconformity）；2. 大角度不整合面（Great Angular Unconformity）；3. 大不整合面（Great Unconformity）。这些不整合面代表着不同地质时期的沉积空隙，揭示了大峡谷深层岩石的复杂历史和地球演化的重要信息。此图源自美国国家公园管理局，数据更新来自2020年的研究报告。
随着科学技术的进步，地质学家们逐渐积累了更多关于托托群的观察和测量数据。经过大量的现场测量和重新分析，科学家们在50多处地层剖面上记录下详细的沉积层数据，并构建了厚度图和时序图。通过这些数据的整合和对比，地质学家们逐步绘制出一幅包含多个沉积序列的图景，展示了托托群在时空上的细微变化。
美国犹他州立大学地质学家、美国地质学会会士Carol Dehler教授领衔的一个跨机构研究团队，在美国国家科学基金会的资助下，利用先进技术和传统知识，对大峡谷标志性的沉积记录进行了深入研究，并提出了创新性的观点。这项研究被认为是具有“改写地质学教科书”的创新研究。图源：犹他州立大学官网
首先，研究人员指出托托群由至少五个不同的沉积序列构成，每个序列的底层不整合面可能是由于沉积物侵蚀或沉积物被移除而产生。这些不整合面暗示着沉积物在不同时间间隔内的暂时中断，而这些间断的原因可能与海平面的变化、气候影响或地壳的活动有关。此外，托托群的沉积序列并非完全海洋环境中的产物，而是包含了辫状河流平原、风成砂丘和边缘海等多种沉积相。
通过运用现代地层序列学方法，科学家们发现托托群沉积序列的形成和保存与大规模的海平面变化和大陆边缘沉降有关，而不再是麦基假设的地槽作用。新的研究表明，托托群的形成主要受到全球性的海平面上升和陆地沉降作用的影响，这种解释大大拓展了原有的沉积模型，并揭示了更多关于沉积层形成的物理机制。
托托群的沉积层中蕴藏了丰富的化石，这些化石为科学家们提供了确定沉积时间的线索。尤其是三叶虫化石（trilobite）在大峡谷托托群中有广泛分布，成为分辨不同地层的关键标志。研究人员在布莱特天使页岩的最底层发现了“皮氏三叶虫”（Peachella iddingsi）、“宽形博伦纽拉虫”（Bolbolenellus euryparia）和“多结节纽洛伦纽拉虫”（Nephrolenellus multinodus）等三叶虫化石，这些化石帮助科学家标定了托托群的地质年代。
此外，科学家们还通过同位素测年方法对托托群的石英砂岩进行了铀铅测年（U-Pb zircon dating），从而得出该层沉积时间相对较短的结论。通过将化石分区和放射性同位素数据结合，科学家们能够将托托群分为多个时间序列，并揭示出不同层序之间的海洋进退事件。对三叶虫化石分区的重新评估表明，这一地层中至少存在七个区域性三叶虫分布带，进一步证实托托群中的沉积层是多期性且间断性的沉积产物。
“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，美国犹他州立大学的官网的标题中用了一个非常显眼的词汇：“Rewrite Textbooks With New Insights”（也就是：“改写教科书”级别的意义）。读完全文，原来，在这个研究之所以被称为“改写地质学教科书”，是因为它通过重新解读大峡谷托托群（Tonto Group）的沉积模型，颠覆了以往的传统观点。该研究团队不仅发现托托群的地层是由多种复杂的沉积环境形成的，而不仅仅是单一的海洋沉积，还揭示了多个地质时期的分层构造和不整合面。这些发现提供了新的证据，表明寒武纪期间的大规模海侵是由海平面变化和大陆边缘的不同沉降速度共同影响的结果。也就是说，这种全新的沉积模式为地质学教学提供了更为精确和全面的理论框架，使得这一经典模型焕然一新。
在托托群的研究中，碳同位素（δ13C）的变化曲线也成为科学家们分析古海洋环境的重要依据。通过对大峡谷特定区域的样本进行碳同位素分析，科学家发现该地层的碳同位素记录与其他寒武纪沉积层中的碳同位素变化相一致，这些变化可以帮助地质学家追溯古海洋的变化历史。
托托群（Tonto Group）代表性地貌的古地理图和关键三叶虫化石示意图。图中灰色线条表示新生代的断层，这些断层在最低处的示意图中标注了名称，并可能在寒武纪时期处于活跃状态。这些断层包括：大峡谷断层（Grand Wash, GW）、飓风断层（Hurricane, H）、纪念碑断层（Monument, M）和巴特断层（Butte, B）。图源：Dehler C, Sundberg F, Karlstrom K, et al. (2024)
在托托群的埃赫曼尼拉区（Ehmaniella Zone）中，科学家观测到一处显著的碳同位素负偏移，即-1.5‰的变化，这被称为“碳同位素异常1”（Excursion 1），这种异常记录了寒武纪晚期的环境变化。此外，在穆阿夫石灰岩的上部地层中发现了另一种复杂的碳同位素负偏移，这可能是著名的“鼓山碳同位素异常”（Drumian Isotope Carbon Excursion, DICE）的代表。这些碳同位素异常事件的记录使得科学家能够在全球范围内更精确地对比不同地层，并揭示出不同沉积层的形成时间与古环境的联系。
基于这些综合性的研究成果，科学家们提出了托托群的新沉积模型，即以陆地与海洋相互交替的沉积环境为主。这一模型与早期的单一海洋沉积解释不同，认为托托群的石英砂岩代表了辫状河流和平原，而布莱特天使页岩则记录了潮汐影响的边缘海环境。穆阿夫石灰岩和法国山组（Frenchman Mountain）沉积层则形成于浅海环境的海洋阶段，表现出深海生物与浅水生物之间的共生关系。
这一新模型强调了托托群是一个多相沉积系统，每个沉积相之间的分界不仅是时间上的间断，也是地质过程和环境条件的转换点。托托群展示了多种沉积环境的演替，包括潮间带、辫状河流、风成砂丘和平原等沉积相，形成了一幅丰富多彩的寒武纪沉积图景。
从未来研究的方向来看，这个新模型的提出，无疑为大峡谷托托群的研究注入了新的活力，但这并不意味着：托托群的奥秘已经完全解开。未来的研究可能还会结合更多的精细测量技术，如X射线荧光光谱仪、磁性数据分析和更高精度的同位素分析，以进一步揭示托托群的形成过程和地质特征。同时，托托群沉积层的高分辨率年代学分析也可能为寒武纪时期的海洋气候变化提供更多的线索。
托托群的研究，不仅帮助我们理解寒武纪时期的海洋进退动态，也为全球地质学提供了一个更清晰的参照框架。科学家们期待通过进一步的研究来解答有关托托群形成和环境变化的更多问题。感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：
资讯源 | GSA Today
编译 | 王昆山
编辑 | 绿茵
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://www.geosociety.org/GSA/Publications/GSA_Today/GSA/GSAToday/science/G604A/article.aspx
https://www.usu.edu/today/story/usu-geologist-colleagues-rewrite-textbooks-with-new-insights-from-bottom-of-the-grand-canyon/
https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241108150733.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Tonto_Group
【海湿·往期相关报道】
