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元古“信使”---来自太行山的波痕石

　　元古“信使”---来自太行山的波痕石

　　认识波痕石

　　沉积物在自然力作用下，表面留下了起伏形状的痕迹，经过漫长的时间最终固结成岩，形成波痕石。根据成因可分为流水波痕、浪成波痕和风成波痕。

　　流水波痕是由定向流动的水对水底沉积物的扰动作用而形成。水流冲刷迎流面，水中的沉积物颗粒在水体的搬运下，越过波峰后滑落在波谷里，在重力的作用下，较大颗粒趋向于集中在波谷的中部。从形态上看，流水波痕往往不对称，迎流面长而缓，背流面短而陡。地质工作者可以根据这一规律来判断当时古水流的方向，即流水波痕背流面的倾斜向就代表了当时古水流的方向。按照流水波痕波脊线的形态，可以进一步分为直线状、弯曲状、链状、舌状和新月状波痕等等，它反映出当时沉积环境中水流流速，甚至流向的差异。一般情况下，波脊线的延伸方向垂直于水流的运动方向。

　　浪成波痕由波浪的震荡作用而形成，波峰尖锐，波谷圆滑，它形成于波浪可以影响到的浅水沉积环境中，如海滨、湖滨等。浪成波痕的脊线和海水运动方向垂直，因此我们可以根据脊线的延伸方向推断出它沉积时海岸线的走向。此外，在水流和波浪同时存在的浅水区，在它们的联合作用下，会形成格子状、菱形状、梯状或分叉状的干涉波痕。在一些水位频繁变化的地方，原先形成的波痕被改造，会形成叠复波痕和削顶波痕，甚至出现波痕和泥裂构造共生的现象。

　　在沙漠及湖、海滨岸带沙丘沉积物中，还可以看到风成波痕，此类波痕不对称的程度比流水波痕更高，波谷宽阔，波峰圆滑，陡坡倾向与风向一致。与流水波痕不同的是，风成波痕的细颗粒集中在波谷，而粗颗粒则集中在波峰。

　　太行山波痕石中隐藏的远古密码

　　太行山波痕石沉积于十几亿年前的中元古代，它通过颜色、波痕的类型以及各种层理构造将这段遥远的地质历史展现在科学家眼前。

　　太行山红色砂岩致色因子主要是三价的铁离子(Fe3+)，代表持续的氧化环境，为干热气候下的产物。红色砂岩层上覆紫红色与灰黄色泥岩互层，说明在之后受到短暂水作用影响，处于千、湿交替的环境。

　　红层中的泥裂构造、交错层理、削顶波痕、浪成波痕等共同反映了当时滨海的沉积环境，是在极浅水的环境下形成的。在这种环境中，洪流或风暴流可以强烈地改造沉积物。而微生物藻席可以很好地适应这种环境，它们通过细丝相互纠缠，形成一张密而黏的网来稳定下面的沉积物。它们还网住了沉积物表面的矿物颗粒，会阻止颗粒被水流或波浪搬运走，光滑的微生物席面将减少沉积物一水界面间的摩擦力。如果沉积物被砂岩覆盖，微生物会很快地向上迁移到新的环境表面，在那里它们会建立一个新的藻席纤维。除了微生物固化作用，还有一个重要的方面是对沉积物的封闭作用。当砂质沉积物被较为致密的含有大量的细胞外粘液的微生物席层覆盖时，这些微生物席层将会阻止沉积物与上覆水或大气之间的气体交换。其结果将会在层内形成一些空洞，这些空洞是由于沉积物内的气体在受到微生物席封闭时逃逸不出而产生。

　　此外，在沉积过程中，由于气候、季节等周期性变化，会引起风、水等的流向、流量等发生变化，从而使搬运物质的数量、成分、颗粒大小等也发生变化。这就会使沉积物在垂直方向上表现出厚度、成分、颜色、结构的不同，形成不同的层状构造。我们可以根据波痕石剖面上的层状构造，推测出当时古地理环境的变化。

　　一块波痕石将17亿年前的历史娓娓道来

　　在山西地质博物馆，陈列着一块波痕石标本，它通体为红色砂岩，表面呈波浪状高低起伏的形态，在一些波峰处有孔洞；在波痕表面覆盖着黄色泥岩，泥岩上清晰印刻着大大小小的菌藻植物化石，已经具有类似根、叶的组织，最大的有十几厘米，它们延伸方向一致，依旧舒展、呈现出绿色，像“书签”一样，静静躺在中元古代长城纪晚期地层中，静静地等待了17亿年。斗转星移、沧海桑田，地质学家在太行山南麓的红色砂岩中再次发现了它，通过解读化石信息，品读元古宙的地质历史。

　　当远古时期的蓝藻菌等原核生物通过光合作用，释放出氧气后，水体和空气中氧气含量逐渐增多，当时华北板块已相对稳定，氧气大量增加，气候温暖，为多细胞生物繁衍提供了适宜的外部条件。

　　河流从陆地搬来大量红色砂岩碎屑风化物，经过长距离搬运，又经过海浪不断冲刷淘洗，泥质成分被带走，最终形成以石英颗粒为主的沉积物。沉积物在波浪搅动的作用下，表面留下了波浪形状的痕迹，多细胞藻类植物开始在沉积物上“扎根”生长。当自然环境发生变化或者突发洪水事件，水流带来的泥沙将底栖藻群“推倒”，并轻轻披覆在波痕石的表面，将藻群包裹到泥沙之中，隔绝了氧气。后来的沉积物不断在它们上方越积越厚的时候，它们的压力越来越大，越挤越紧，菌藻植物中的水分被挤出，波痕砂砾和泥土脱水、胶结，经过漫长的时间最终石化为一块表面覆盖群藻纹饰的波痕石标本。

　　标本中植物体化石多呈分散状，局部密集甚至相互重叠，细纹层厚度较薄，表明沉积环境平静且沉积速度缓慢。由于倒伏植物群下密上疏，叶状体伸展状态由下而上，故可以判断出植物的生长方向。叶状体大致按一定方向排列，表明在平静的水体中也存在平缓的水流，使一端固着直立的植物体沿着水流方向倒伏。它们是平静滨海环境中的底栖型藻群，华北古陆边缘广大的浅海非常适合它们生长。在不断的进化中，植物体分化的细胞构成了不同功能的组织器官，假根负责将植物体固着在沉积物上，藻体延展羽裂，增大受光面积，为未来植物形态提供蓝本。由此可以推断，这块波痕石上的藻群很有可能是某种灭绝藻类的遗迹，是它们试图适应陆地环境的生物化石记录。后来随着沉积环境的变化，这块波痕石标本被新的沉积物覆盖，开始沉睡。这一睡就是十几亿年。

　　沧海桑田，当地壳运动将它再次抬升到地表，原来压在它身上的“大山”被侵蚀剥离，它再次感受到阳光的温暖和空气的香甜。如今它静静地站立在博物馆，向观众讲述地球演化的故事，品读不一样的生命过程。

　　

　　

　　                                                             摘自《地球》2023年3期

　　

原文链接：http://zrzy.hebei.gov.cn/heb/gongk/gkml/kjxx/kpyd/10891776730452213760.html
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