中国地层学研究近期面临的主要问题

姚建新, 李 亚, 侯鸿飞, 纪占胜, 武桂春, 武振杰, 李素萍, 郭彩清,张利伟, 孟美岑, 薄婧方

中国地质科学院地质研究所, 国土资源部地层与古生物重点实验室, 北京 100037

中国地层学研究近期面临的主要问题

姚建新, 李 亚, 侯鸿飞, 纪占胜, 武桂春, 武振杰, 李素萍, 郭彩清,张利伟, 孟美岑, 薄婧方

中国地质科学院地质研究所, 国土资源部地层与古生物重点实验室, 北京 100037

地层中包含了地球演化过程的许多重要信息, 它是建立全球地质年代系统的重要基础。统一年代地层系统的建立有利于促进基础地质工作、矿产资源勘查、地质环境评价和地质灾害预测与防治等各项事业的发展, 因此一直受到广大地质工作者的高度重视。目前在《国际地层表》已建的110个阶中, 已有 65个全球界线层型剖面和点位(简称 GSSP)被国际地层委员会和国际地质科学联合会批准确认, 其中有 10个GSSP被确立在中国, 我国是拥有GSSP最多的国家。在中国区域年代地层表的102个阶中, 也有59个阶得到了较深入的研究, 并建立了部分地层单位的划分对比标准。虽然我国的地层学研究取得了许多重要成果,但是在中国区域地层标准的建立与完善以及区域地层单位与 GSSP的对比、变形和变质较强烈地区地层学研究方法的确定、广泛分布的中新生代陆相地层划分对比、中国典型地层剖面保护和规范化研究等方面还存在诸多尚未解决的重要问题, 急待深入研究。

中国; 地层学; 主要问题; 地质年代系统; 全球界线层型剖面和点位

地层是一部记录了地球和生物形成演化历史的百科书。地层中包含了地球演化过程的许多重要信息, 它是建立全球地质年代系统的重要基础。统一年代地层系统的建立有利于促进基础地质工作、矿产资源勘查、地质环境评价和地质灾害预测与防治等各项事业的发展(王泽九等, 2006)。地层学与地质生产实践和地质调查关系尤为密切, 从 1815年英国著名地质学家、化石层序律奠基人威廉·史密斯(William Smith)完成了首张英格兰和威尔士的现代地质图起, 200年来, 在世界各国进行的区域地质调查中所产生的、以地层学为基础的各种比例尺地质图件, 已在各国的矿产资源普查和勘探、工程建设、抗击地质灾害等地质生产实践中发挥了重要的作用(万晓樵等, 2014)。因此, 作为地质工作的基础和矿产勘察的根基, 全球地质年代系统在地学研究中占有十分重要的地位, 它的研究程度直接制约和影响其他地学学科的发展。本文将在简要回顾近期地层学研究重要进展的基础上, 探讨我国地层学发展面临的主要问题。

1 近期地层学研究取得的重要进展

由于阶是地质年代系统的基本单位, 是进行地层划分对比和编制地质类图件的基础, 地层建阶研究就成为整个地学研究和地质工作中的一项十分重要的基础性建设工作, 历来受到世界各国广大地层工作者及其相关组织的广泛关注和高度重视。

1.1 全球界线层型剖面和点位研究进展

“全球标准层型剖面和点位”(以下简称GSSP)是划分和定义全球年代地层基本工作单位“阶”的底界的国际标准。由于年代地层的等级系列中高等级单位的底界, 总是与其最低下属单位的底界一致,因而有些阶的GSSP也是定义一系列更高等级的单位(如统、系、界、宇)底界的国际标准。有了这个统一标准, 或称“共同语言”, 各方面才有可能进行准确的交流(彭善池, 2014)。从20世纪70年代起,国际地层委员会就组织各国有关专家按断代, 开展了全球界线层型剖面和点位的研究; 并以此为依据,编制和不断更新国际地层表, 以便建立起全球的地层划分对比的统一标准。截止2014年, 在《国际地层表》已建的110个阶中, 已有65个GSSP被国际地层委员会和国际地质科学联合会批准确认, 其中有 10个 GSSP被确立在中国, 使我国成为拥有GSSP最多的国家。这10个GSSP分别为: 湖南古丈罗依溪寒武系古丈阶底界的 GSSP(Peng et al., 2009)、湖南花垣排碧寒武系排碧阶底界的GSSP(Peng et al., 2004)、浙江江山县碓边村寒武系江山阶底界的 GSSP(彭善池, 2011; Peng et al., 2012)、湖北宜昌黄花场奥陶系大坪阶底界的GSSP (Wang et al., 2005; Chen et al., 2009)、浙江常山黄泥塘奥陶系达瑞威尔阶底界的 GSSP(陈旭等, 1997; Mitchell et al., 1997)、湖北宜昌王家湾奥陶系赫南特阶底界的GSSP(Chen et al., 2006)、广西柳州碰冲石炭系维宪阶底界的GSSP(Devuyst et al., 2003; 侯鸿飞等, 2008)、广西来宾蓬莱滩二叠系乐平统下部吴家坪阶底界的GSSP(Jin et al., 2006)、浙江长兴煤山二叠系乐平统上部长兴阶底界的GSSP(金玉玕等, 2007)、浙江长兴煤山二叠系—三叠系界线的GSSP(Yin et al., 2001)。这些成果促进了我国地层学研究与国际研究的尽快接轨, 大大提高了我国地层学研究的国际地位。

为解决国际地质科学联合会(IUGS)向国际地层委员会(ICS)提出的要求((1)加速完成显生宙各个系、阶的全球层型剖面和点位(GSSPs)的选定工作,不再无限期地拖下去了; (2)如何确定国际地层委员会(ICS)的未来使命和发展方向), 国际地层委员会(ICS)领导人于2002年6月中旬在意大利中部乌尔比诺镇(Urbino)乌尔比诺大学地质系召开了“地层学的未来方向”讨论会。出席这次会议的包括国际地层委员会各系地层分会主席以及地层分类分会负责人等。会议的主要目的是让各分会主席在国际地层委员会未来的方向和组织结构方面达成比较一致的意见。经过深入讨论, 国际地层委员会认为地层学研究的使命是通过多学科、多手段的研究, 更好地理解地球的历史。未来的发展目标是追求国际的共同语言, 达成全球对地球历史的理解具有共同的标准(语言)。未来的主要工作内容包括: ①国际地质年代分辨率的标准化和继续改进, 更深入地从区域对比发展到全球对比, ②在理解地球演化过程中建立起地层格架和对比关系, 更真实地认识地球演变的历史。要达到上述目的必须要使国际地层学概念标准化, 继续改进国际地质年表的分辨率, 用新的地层学方法深化从区域到全球的地层对比(戎嘉余, 2003)。

2010年国际地层委员会又在捷克布拉格召开了“GSSP概念”的专题讨论会。各系的分委会主席、秘书长及有关专家出席了会议。会议确定不再对 GSSP的完成时间设下限, 强调在应用生物地层上以某一生物门类首现定义界线的同时, 要更多地引入其他诸如磁性地层、稳定同位素、事件地层、层序地层等多种非生物地层方法, 以利全球对比的实现。同时建议今后加强辅助剖面或参考剖面的研究, 以帮助与 GSSP的对比, 提高 GSSP的使用效果。上述这些认识和决定进一步明确了国际地层学研究的任务和发展方向。

1.2 近期我国地层建阶研究重要进展

在过去较长一段时期内, 我国的地层建阶工作未引起足够的重视。只有少部分专家在局部的一些层段(如寒武系、奥陶系、泥盆系等)进行了一些初始的地层建阶研究。基本上都是根据生物组合直接由岩石地层单位转换而来。对于全国性的地层建阶工作缺乏统一的组织和规划, 没有统一的标准, 致使所建阶的定义不清、标准不一致, 而且随意性很大, 甚至存在同一层位由于不同专家研究, 命名各不相同, 含义也不尽相同, 造成“混乱”局面。从20世纪 80年代后期开始, 部分地层古生物专家按照《国际地层指南》关于建阶的要求开展了我国的地层建阶研究。直到21世纪, 在全国地层委员会组织和领导下, 我国的地层建阶工作才系统开展, 并取得了重要进展, 编辑出版了中国地层指南及中国地层指南说明书(修订版)(全国地层委员会, 2001)和中国区域年代地层(地质年代)表说明书(全国地层委员会, 2002); 在中国区域年代地层(地质年代)表中一共确定了 102个阶(包括海相和陆相), 其中的59个阶得到较深入的研究, 建立了一些地层单位的划分对比标准(全国地层委员会, 2008, 2012); 进行了包括生物地层、年代地层、岩石地层、磁性地层、化学地层、事件地层等内容在内的新一代中国地层表的修编(王泽九等, 2014), 进一步确定了中国与国际年代地层系统的对比关系(见表 1); 组织地矿系统、中国科学院和大专院校地层学家对《中国地层指南》进行了修编; 组织召开了多次野外现场讨论会, 对一些有争议的关键地层问题进行研讨, 并达成初步共识。

针对中国前寒武纪地层发育特点, 采用原位定年技术, 对我国前寒武纪地层进行了深入研究, 在太古宙和元古宙地层时代的确定和地层格架建立方面都取得了重要进展(高林志等, 2009, 2011; 陆松年等, 2010; 陈文等, 2011; 万渝生等, 2012)。另外,通过各部门地层学家的深入的研究和总结, 还出版了一批重要的地层学著作, 解决了一些疑难地层问题(中国科学院南京地质古生物研究所, 2000, 2013;高振家等, 2000; 汪啸风等, 2005)。上述这些工作进一步提高了我国阶的成熟度和地层研究的整体水平。

2 中国地层研究存在的问题

虽然中国地层研究和地层工作取得了重要进展, 但与欧美等发达国家相比还有一些差距, 主要体现在以下几方面。

2.1 中国区域地层单位与全球标准层型剖面和点位(GSSP)的对比

全球标准层型剖面和点位(GSSP)是划分和定义全球年代地层基本工作单位“阶”的底界的国际标准, 其中的“点位”是“嵌入”岩层中的一个特殊的地理点(a point in rock), 它同时也对应一个时间点(等时线、等时面)(彭善池, 2014)。

我国的地层学家参照国际GSSP的标准开展了地层建阶研究, 建立了我国大部分古生代海相地层的划分对比标准。由于我国幅员广阔, 不同地层区地层发育差异较大, 很难与 GSSP和我国地层建阶剖面进行直接对比, 在可与 GSSP进行对比的中间桥梁(区域性地层标准和区域地层系统)不够完善的情况下, 区域地层研究和地质调查过程中一些地层的划分对比就显得有些依据不足, 一些新建地层单位也不够规范、与《地层指南》要求差距较大, 其区域可比性相对差, 从而影响了存在争议的地层问题的及时解决、地质调查和资源勘查工作的开展,亟需在国际年代地层统一框架下, 建立和完善中国的区域地层划分对比标准, 并建立起与 GSSP的对比关系。

2.2 造山带地层研究方法的确定

中国大陆地壳组成和结构最基本特征是由一系列不同时期多岛弧盆系转化为造山系构造域围限的华北、扬子、塔里木三大陆块; 中国东部在中生代以来深部软流层上涌, 区域岩石圈拆沉去根, 引发地壳伸展形成叠加造山裂谷构造系统。基于上述特征潘桂堂等(2009)划分出中国的大地构造环境主要为由陆块区、造山系和叠加造山(裂谷)系组成的一级构造单元。造山系和叠加造山系一般都经历了板块裂解与拼合的复杂演化过程, 造山带地层体在造山带洋盆会聚、俯冲消亡和陆内造山阶段, 发生过强烈的构造搬运和构造混杂。这就使得这些地区的地层学研究更加复杂, 传统地层学手段似乎鞭长莫及,需要采用非常规地层或造山带非史密斯地层研究方法来建立造山带变形和变质较强烈地区地层系统理论模型和工作方法, 以利于恢复造山带形成和演化历程。我国的一些地层学家开展了这方面的初步研究, 但概念和工作方法方面仍存在一些不同的认识(冯庆来, 1993, 1999; 王乃文等, 1994; 龚一鸣等, 1996; 方宗杰, 1998; 殷鸿福等, 1999; 杜远生等, 1999; 王五力, 2000; 张克信等, 2003, 2014)。

表1 中国地层表(简版)(根据中国地层表简化(王泽九等, 2014))Table 1 Stratigraphic Chart of China (simplified chart) (modified after WANG et al., 2014)

2.3 中新生代陆相地层的划分对比

除青藏地区外, 从晚三叠世开始, 我国大部分地区都逐渐转为陆相沉积。虽然经过多年的工作,陆相地层和古生物等资料也有相当的积累, 但由于陆相地层受水系、盆地性质等因素的制约明显, 地层连续性差、相变大, 给选择代表性剖面和进行地层划分对比增加很大难度。同时, 陆相生物群也受地域、水系性质和气候等因素制约明显, 而且陆生生物的演化不如海生生物明显, 因此, 各陆相地层单位在确立其底界的生物识别标志和建立起可作为大区域内划分对比标准的单位层型内的生物组合(带)序列方面存在较大困难, 需要做比海相阶更艰巨、深入细致的研究工作才能逐步解决。

图1 保护前的贵州关岭三叠系关岭剖面Fig.1 The Guanling section of Triassic, Guizhou, before protection

图2 保护后的贵州关岭三叠系关岭剖面Fig.2 The Guanling section of Triassic, Guizhou, after protection

2.4 典型地层剖面的保护和规范化研究

地层剖面是地层学研究的重要依据。我们在GSSP和地层建阶研究中取得的重要成果都有赖于我国发育良好、得“地”独厚的实际地层剖面, 有赖于长期持续不间断的细致研究和国内外的有效合作。从目前的情况看, 在典型地层剖面保护和规范化研究方面还存在以下问题和不足: (1)同一剖面,由于不同单位、不同人员、不同目的, 对地层剖面“层”的划分差别甚大, 或按自然层, 或按岩性组合, 甚至层序地层。(2)同一剖面, 由于地层的划分不一样, 不同人员或单位在露头上按各自的分层,标志不同的编号。(3)由于剖面分层和测量方法的不同, 同一剖面的厚度往往也有差别。(4)随修建道路、岩石开采、房屋修建等基本建设规模扩大, 使一些国内外著名的经典剖面遭到无法挽回的严重破坏,难以进行持续性研究, 需要加以有效保护和科学的规范化利用(图1, 2)。

3 近期地层工作的重点

针对上述地层学研究中存在主要问题和未来发展的需求, 对近期我们需要进一步加强的工作提几点建议。

(1)按照国际地层指南和中国地层指南的要求,完善各地层区或重要地层小区的区域地层划分对比标准, 为区域地层学研究和地质调查提供地层学参考依据。同时继续加强寒武系、石炭系、二叠系、三叠系等有利断代的 GSSP研究, 争取能有更多GSSP确立在中国。

(2)参考GSSP和中国地层建阶研究成果, 建立区域地层单位与GSSP和中国地层建阶标准的对比关系, 既能提高 GSSP和中国地层标准应用价值,又能进一步提升区域地层划分和对比的整体水平,有效促进中国区域地层学研究和地质调查工作更好地与国际接轨, 实现国际地层委员会提出的更深入地从区域对比发展到全球对比的目标。

(3)针对中国地质演化特点, 加强造山带地区地层学的试点研究, 争取能在构造复杂地区地层研究的理论和方法上有所突破, 切实解决一些重要造山带地区的地层问题。

(4)针对中国中新生代以陆相沉积为主的情况,选择在区域上有代表性的剖面开展陆相地层单位层型研究, 建立陆相地层的区域地层划分对比标准;同时借助磁性地层、化学地层、稳定同位素、事件地层、层序地层等多种非生物地层方法建立陆相地层与国际海相地层的对比关系。

(5)将中国典型地层剖面保护和规范化研究作为我国生态文明建设的重要内容, 在国土资源部、中国地质调查局和有关部门的支持下, 制定中国经典地层剖面保护办法和评定标准, 发布中国典型地层剖面保护名录, 协助和指导地方政府和部门开展典型地层剖面保护和规范化研究, 为我国地质工作未来的发展和地质资源的保护以及科学普及工作的开展奠定坚实的基础。

致谢:感谢全国地层委员会和王泽九常务副主任对本文编写提供的支持和帮助。

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