生物地层学的研究方法

2．1．3　生物地层学的研究方法

前已述及，根据地层中所保存的生物化石，运用生物界(包括动物界和植物界)在进化过程中的规律——前进性、不可逆性、阶段性和迁移的瞬时性等，对显生宙以来的沉积地层进行生物地层学研究，确定其相对年龄，建立地质事件顺序，确定横向对比关系最终建立起连续的地质年表，这就是生物地层学的基本任务。但在漫长的地史时期内，先后出现众多的生物种类，它们的演化速度、分布范围、生存数量、保存程度等都不尽相同，因而其地层学意义自然不同。同时，随着地质时代的演进，地区和环境的差异，地层中保存的化石特征常有明显变化。根据上述情形，人们在长期实践中，逐渐总结出一系列生物地层学的工作方法。

2．1．3．1　标准化石法

实践中人们发现，在同一岩层中往往含有多种化石。古生物学家将其中生存时间短、分布范围广、数量众多、保存完好的化石称为标准化石。利用标准化石研究地层的方法称为标准化石法。生物生存时间短，表明其演化迅速，这类生物化石在地层中的垂向分布局限，时间标志明显，便于较精确地划分地层，如和牙形石等。生物分布广泛则易于在较大的区域内对地层进行同时性对比，如利用笔石和浮游有孔虫等化石，往往可以进行大区域甚至全球性生物地层对比。生物数量众多且保存完好则易于在岩层中发现和鉴别，便于生产实践中使用。

一般来说，标准化石法是最简单的生物地层学方法，其突出优点是极为经济，简便易行。因而，早在18世纪末期，人们就已经认识了许多标准化石，如寒武纪的三叶虫，奥陶纪和志留纪的笔石，石炭纪和二叠纪的类动物等，并且它们已被广泛应用。当然，标准化石法亦有其局限性，如有些地层中虽有化石，但缺乏适用的标准化石;有些标准化石受环境限制，分布地区狭窄(如陆生生物);有些标准化石的标准性与研究程度有关，随着资料积累和研究程度的提高，原先曾是较标准的化石，可能会变得不标准了，如蕉叶贝(Leptodus)，过去曾有一段时间被认为是晚二叠世的标准化石，后来在早二叠世地层中也有发现。又如单笔石(Monograptus)最早被认为属于早志留世，后来逐渐在中、晚志留世也有发现，最后发现可延伸至早泥盆世。而另一部分新的化石又可能不断地补充到标准化石的行列中;另外，由于生物能否存在受到该地区环境(相)的控制，因而使得不同地方的标准化石首次出现的层位并不尽相同，即由相同标准化石确定的不同地区的年代地层可能是穿时(穿过不同时间界线)的。尽管有如上情况，标准化石法迄今仍是生物地层学中最基本、最常用的方法之一。

2．1．3．2　生物组合法

最初人们用标准化石区别地质年代，较少考虑同层内共生的其他化石。当人们发现标准化石存在局限时，逐渐注意到同层内共生的所有化石的总貌。经综合研究发现，在缺乏最典型、最精确的生物标志时，多门类的生物群，即共生组合，可以提供大致相近的综合地层信息。即使存在标准化石的情况下，综合分析生物群全貌，也能提供更丰富、更全面的地层时代和沉积环境的信息。这就是生物组合法(图2．6)。

图2．6　地层中的化石组合示意图⁽⁷⁾

1．首现于A层，繁盛于A，B，C三层;

2，7，9，12．首现、延续、繁盛和灭绝均仅限于B层;

3．首现于A层，繁盛于B层，灭绝于B层顶部;

4．首现于B层，繁盛于B，C层;5．首现于A层，繁盛于B层;

6，14．繁盛于A层，灭绝于B层;8，13．首现于B层，繁盛于C层;

10．繁盛和灭绝于A层;11．首现于C层底部，繁盛于C层

利用化石群或化石共生组合来确定地层层位的方法比较简便，已广为应用。须注意的是:①此法适于在化石丰富(即化石的种类和数量均较多)的地层中使用，尤其对新生代含微体化石丰富的地层更为有效;②化石成分的明显更替应与地层界线一致;③尽量与标准化石配合使用。

2．1．3．3　数理统计法

地层学中对化石进行数理统计，根据一定数量的化石划分若干界线是常用的研究方法之一。百分比法是生物地层学中常用的最简单的数理统计法。将所要研究的地层中的化石进行全面统计，与已知时代之剖面中的化石作分层比较，求其相同的百分含量，以此确定其时代的方法称百分比法(图2．7)。

图2．7　利用百分比统计法确定未知剖面相当层位图解⁽⁸⁾

图2．7中A为一已知剖面，B为一未知剖面。通过研究和统计，B剖面中某一段地层x中所含化石分别与A剖面1～5层中所含化石相当的百分数分别为3%，4%，13%，19%，7%。显然，B剖面中地层x与A剖面中第4层相当的可能性最大，而与第1层、第2层相当的可能性最小。

利用所含化石的百分比对地层进行划分和对比是定量地研究地层的方法之一，它是标准化石法和化石组合法的有效补充。但百分比这一简单的数理统计法有明显不足之处，如作为对比标准的已知剖面各层中，可能因环境变化而含化石数量有差异，即与未知剖面相当的层位可能因环境不适宜恰好含化石稀少;有时，已知剖面各层位中所含化石的数量与这些化石的标准化未必一致，出现化石虽多，但时间标志较差。这些都会给百分比法带来困难。在运用数理统计时应作具体分析，尽量与其他方法相互验证，力戒机械简单化，以免有误。

2．1．3．4　种系发生法

种系发生系指生物发展演化进程中的演化系列和彼此间所存在的亲缘关系。若地层中化石丰富，当逐层详细采集，经详细鉴定和研究，则可根据各种生物属、种之间在层位上和形态、构造上的逐渐过渡关系，找出它们在发展演化上的内在联系，根据其祖先和后代之间的亲缘关系将其划分成不同的演化阶段。根据演化阶段，对地层进行划分，前节中的谱系带，就是用种系发生法来确定的一种生物带。随着古生物学领域迅速发展，资料积累与日俱增，为利用种系发生的规律进行地层划分创造了有利条件。

在生物地层学中，种系发生法不乏应用实例。如在寒武纪应用三叶虫的演化，在奥陶纪、志留纪应用笔石的演化，以类动物的演化划分石炭纪、二叠纪地层，以菊石和哺乳动物的演化划分中生代和新生代的地层等，均为人们所熟知。但因古生物资料的不完备性，种系发生法的应用亦常遇到困难。