岩石测年

所有哺乳动物共同祖先的化石形成于1.65亿年前，而最古老的哺乳动物化石至少可以追溯到2.25亿年前。哺乳动物族系最古老的亲戚大约生活在3.15亿年前。我们是怎么知道的？怎么才能确定化石的年代呢？

为多层含化石岩石确定年代和顺序的原理被称为地层学（希腊语中的“多层岩石的研究”）。该领域最先出现的原理是层叠法，由丹麦医生尼古拉斯·斯蒂诺（Nicholas Steno）于1669年提出。在所有层状岩石层序中（例如沉积岩层，甚至熔岩流），最先形成的岩石层都处于底部，越往上的层序历史越短。这是一个简单的常识：堆叠东西的时候只有先准备好下层才能继续往上堆东西。想象一下一张凌乱书桌上的一堆纸，你一眼看到的是位于顶部的纸，而几周都没见到的纸位于纸堆的下方。

到1795年的时候，威廉·史密斯（William Smith，英国）等地理学先驱发现：已灭绝动物的化石会按时间顺序形成一定不可重复的序列，这就是动物区系演替（化石层序）。史密斯和后来的地质学家都认识到，这个序列是确定相对时代（即相对其他参照物而言的年代）的关键。换言之，我们可以通过这个方法明确某具化石的历史短于某个地层或化石组合，但又长于另一个化石组合。

时间流逝中的化石层序和生命历史首先在英国的化石产地得到研究，随后在全世界的化石发掘工作中都得到了证实。很多地方都具有这种层序，包括北美西部，尤其是落基山脉和西部高地平原。层状岩石和其中的哺乳动物化石都按顺序排列（图1.2），最底层是美国西部碗状沉积盆地里的晚白垩世地层（恐龙时代末期），随后是哺乳动物时代里前2500万年的地层。部分地区的沉积盆地同时保存着7000万～4500万年前的岩石。下一个序列（4500万～4000万年前）在犹他州东北部的因塔盆地里保存得最好。在南达科他州（尤其是大劣地）、内布拉斯加州西部和怀俄明州东部，完美地层露头和其中精美的化石连续展示出了从3700万年到最后一个冰河时代的代表物种。我们可以客观地证明某一序列中的哺乳动物化石历史，因为光北部平原就较好地保存了整个相关序列的化石。

过去的200年里，地理学家们根据全世界的化石相对序列制定了标准地质年代表（图1.3），其包括几个可以进一步细分为多个较短时期的时代。例如，过去的5.4亿年是显生宙，其中包括3个代：古生代（希腊语的“古代生命”，5.4亿年～2.5亿年前）、中生代（“中间的生命”，2.5亿年～6600万年前，恐龙时代）和新生代（“新近的生命”，6600万年前至今，也被称为哺乳动物时代）。各个代又分为时间更短的纪。例如中生代由三叠纪、侏罗纪和白垩纪组成。新生代在传统上分为第三纪（6500万年～260万年前）和第四纪（260万年前至今）。不过地理学家们最近更倾向于将新生代更加均衡地分为古近纪（6600万～2300万年前）和新近纪（2300万年前至今）。最后，纪又分成世。例如古近纪中包括古新世（6600万～5500万年前）、始新世（5500万～3400万年前）和渐新世（3400万～2300万年前），而新近纪包括中新世（2300万～500万年前）、上新世（500万～260万年前）、更新世（260万年～1万年前，也被称为冰河时代）和全新世（过去的1万年）。

图1.2　美国西部盆地含化石岩层的重叠序列。岩石相互关联，且都具有随时间而快速变化的独特化石组合。古新世的岩石位于怀俄明州（尤宁堡群）的大角盆地（照片F）和新墨西哥州（纳西缅托组）。早始新世的岩层是位于落基山脉盆地的多个岩石层序，包括大角盆地的威尔伍德组，怀俄明州温德河盆地和保德河盆地的沃萨奇组，以及新墨西哥州的圣何塞组。中始新世早期的岩层位于威尔伍德组和沃萨奇组的顶部，以及怀俄明州西南部超覆在威尔伍德组和沃萨奇组其上的布里吉尔组。这一部分与犹他州犹他盆地中始新世的尤因它组和杜切斯河组基部超覆。犹他州最上部的岩层与跨越内布拉斯加州、怀俄明州和达科塔州的白河群（大劣地，照片D）底部的晚始新世岩石超覆。早渐新世岩层在大劣地的白河群最为清晰，而晚渐新世到早中新世岩层在内布拉斯加州和南达科他州的阿里卡拉群以及俄亥俄州中部的约翰迪组（照片C）最为清晰。早中新世晚期岩层位于内布拉斯加州的赫明福德群和约翰迪组的上部。加利福尼亚州的巴斯托组、俄勒冈州的马斯科尔组和内布拉斯加州西部的奥尔科特组都完好保存着中中新世的岩层。晚中新世中期的岩层位于加利福尼亚州红石峡谷的红石组（照片B）、内布拉斯加州瓦伦丁组和灰洞组、俄勒冈州的响尾蛇组和得州狭长地区的克拉里登层和汉普希尔层（照片A）。上新世岩层可见于得克萨斯州的勃朗层，以及加利福尼亚州棕榈泉组的长层序，其位于安沙波列哥沙漠的鱼溪——巴耶西托荒地。这些岩层也经历了更新世的冰河时代。

图1.3　左：地质年代表。右：不同大陆上的新生代陆生哺乳动物期NALMA=北美陆地哺乳动物期，SALMA=南美陆地哺乳动物期，ELMA=欧洲陆地哺乳动物期，ALMA=亚洲陆地哺乳动物期。

这种细分方法全球通用，不论化石是来自陆地还是海洋。世还可以根据当地的化石序列细分为更短的当地时期。例如，一个地层中的化石哺乳动物组合在往下一个地层过渡时发生的巨变可以让古生物学家确定当地的陆地哺乳动物时期。每块大陆的当地时期都不相同，因此世界上既存在北美陆地哺乳动物期（NALMA），也存在类似的南美（SALMA）、亚洲（ALMA）、欧洲（其使用MP表示古近纪哺乳动物，用MN表示新近纪哺乳动物）和非洲陆地哺乳动物期。很多地区的陆地哺乳动物期还能根据关键化石所在的地层分为更短单位，例如带。它们是新生代里最小的单位，持续时间一般不足1万年。