筆石：在巖石中書寫生命故事

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①筆石動物碳化印痕標本

②筆石動物黃鐵礦化標本

③猜想的筆石動物浮游方式（無化石證據）

在四五億年前的寒武紀，地球海洋中出現了一群筆石動物。它們的軟體部分個頭不大，卻長出了長長的骨骼，形成了一根根筆石枝。筆石動物中有一部分固著于淺海海底，更多的則浮游于海面上，過著自由而漂泊的生活。

到了兩三億年前的石炭紀，筆石動物絕滅了，今天的人們無法再見到它們鮮活的身影，但它的化石卻在穿越幾億年后成為了人類的好幫手。筆石被作為判定地層年代的黃金卡尺，更在我國能源資源勘探中起著獨特而重要的作用。

“筆在巖石中書寫的痕跡”

看到筆石這個名字，也許有人會想，它們與筆有什么關系呢？實際上，筆石的命名確實與筆有關。

筆石是筆石動物的化石。筆石最早是由分類學家林奈于1735年創立的類化石屬“Graptolithus”演變而來，意為“筆在巖石中書寫的痕跡”。這樣命名是因為最早發現的筆石化石都是平面的，如巖畫一般，很像在石頭上留下的筆跡。起初，由于古生物學家對筆石的結構認識不足，還常常誤認為它們是植物化石、痕跡化石、頭盤蟲、珊瑚、水螅或者苔蘚蟲等。

“其實筆石動物本身是立體的，它們有著有機質的軟體和硬體。由于筆石動物早已滅絕，其軟體部分又已經在漫長的地質歷史中分解殆盡，所以它的軟體的具體成分我們現在不太清楚，硬體部分我們發現是膠原蛋白質的。筆石動物死亡以后，就埋藏在沉積物里，后來就被壓扁了，壓扁后留下了痕跡。因為它是有機質的，無非就是碳、氫、氧、氮這些元素，所以有些部分就碳化了，結構分解了，有時候還會剩下一點碳留在上面，有時候連碳也被地下水或者滲透的水沖刷了，結果最后只能剩下一點點痕跡，我們把這個叫作印痕。”中科院南京地質古生物研究所研究員張元動告訴《中國科學報》記者。

后來隨著筆石發現數量的增加和研究的深入，古生物學家漸漸發現，其實除了碳質薄膜壓扁保存，筆石還有其他兩種常見的保存方式——黃鐵礦化半立體保存和三維立體孤立保存。這兩種保存方式能夠將筆石的結構更為完整地保留下來，讓古生物學家對筆石動物進行更準確的研究。

當前發現的筆石化石一般大小為幾厘米，已知報道的最大筆石體長達1.45米。這些筆石通常保存于黑色頁巖中，在砂巖、灰巖中偶有保存。人們對筆石的研究歷史也很悠久，已逾300年，讓筆石從最初的一科幾屬發展至現今的600余屬。

在我國廣泛分布

在我國，筆石動物群分布很廣。“這是因為筆石動物從寒武紀就出現了，然后經歷了奧陶紀、志留紀、泥盆紀，一直到石炭紀滅絕，在這個過程中的每一個時代都會有很多筆石動物群的記錄。特別是奧陶紀和志留紀，數量尤為壯觀，在我國華南地區至少有十幾個筆石動物群。”張元動介紹說。

這些筆石動物群中的大部分，張元動都走過。上世紀80年代，張元動還在大學的地質礦產調查專業學習時，就在古生物學基礎課上接觸過筆石動物。從1987年讀碩士研究生開始，他更是與筆石結下了不解之緣，畢業論文的主攻方向便是筆石研究，這個緣分一直持續到現在。如今他在奧陶紀和志留紀的筆石動物群方面有著深入研究。談起自己曾走過的筆石動物群，張元動如數家珍。

“比如在陜甘寧邊區，我們叫鄂爾多斯西南緣，這個地方在奧陶紀時是一個臺地邊緣，水比較深，所以保存了很多筆石化石。對這里的筆石動物群，我們作了很多研究，發表了一些成果。”張元動說，“還有貴州的中奧陶紀湄潭組筆石動物群，屬種特別多，而且很有特點，我們也作了相關的研究。”

另一處讓張元動印象深刻的筆石動物群是在浙江。“浙江在奧陶紀時，海水比較深，海底都是缺氧的，所以大量的碳被保存下來，因此我們在當地看到的巖石都是黑色的，包括黑色頁巖和一些硅質巖。這里就保存有非常多的筆石化石，我們稱為寧國組筆石動物群。而且，這里的筆石很多是立體保存的，它們的成分以黃鐵礦為主。這樣一個擁有大量黃鐵礦化的、保存了精美結構的筆石動物群，在世界上都是非常罕見的。”

在云南，張元動等人也作了很多研究。“云南在奧陶紀時，是不屬于華南板塊的，而是與東南亞部分地區一起構成了滇緬馬板塊。在這個板塊上，我們也發現了筆石動物群，稱作施甸組筆石動物群。這樣的筆石動物群，在我國只有這個地方能找到，你要想找其他類似的動物群，就要去緬甸、馬來西亞了。所以這個筆石動物群也是非常珍貴的。”張元動說道。

判斷地層年代的黃金卡尺

在古生物學家對筆石動物的研究中，一個很重要的研究方向就是筆石的演化過程。

從進化論的觀點來看，每一個類群都會隨著時間發展而產生新的物種，在每一個時間段中，也都會有獨特的物種類型和組合。“所以我們要了解筆石動物的特征和物種組合方式，不同時期的筆石動物，類型是不一樣的，結構也不一樣。”張元動說。

經過研究，古生物學家發現，筆石動物的演化速度非常快。“這是非常少見的。”張元動說，“我們現在看到的有些細菌，幾億年來都沒有什么變化，但筆石正相反，它演化速度特別快。尤其是在奧陶紀和志留紀，每隔幾十萬年就會產生一大批新種。”

也正因如此，筆石可以被當作判斷地層年代的黃金卡尺。“用筆石來判定地層年代，尤其是在奧陶紀和志留紀，是非常精確的，其精確度遠遠高于同位素定年。”張元動介紹說，“如今同位素定年能夠精確到20萬~30萬年，就算非常好了，但筆石的精確度更高。目前國際上奧陶紀和志留紀的地層劃分，主要就是靠筆石。”

利用筆石，還可以判斷當時的地質環境。“筆石動物有兩種生活方式，一種是固著在海底的，也就是底棲。這種類型的筆石動物一般會生活在淺水環境里，因為它多少還是需要一些氧氣的，水太深就無法生存。”張元動解釋說，“第二種是在海水中浮游生活的，這部分筆石動物就可以生活在更加開闊的海水里面，也可以在深水環境中生存。”

借助筆石動物的這種生存特性，古生物學家就可以判斷當地的古環境。“比如，在一個地方發現的筆石都是浮游的，沒有底棲的，那么就可以推斷它的古環境是深水的。”張元動說，如今，這種鑒定可以做到非常精細，依據筆石動物的類型可以從海水表層到幾百米深處，劃分出五六個深度帶，每個深度帶中都有筆石動物的特定組合。

筆石能在精確判斷地層年代中發揮重要作用，而且方便快捷。在野外工作中，筆石工作者僅需通過一個10倍的放大鏡，就可以進行快速現場鑒定，準確判斷地層年代，框定地層框架。所以它在能源資源勘探上也可以一展身手。

在我國的頁巖氣勘探中，筆石就發揮了重要的作用。過去幾年中，我國頁巖氣勘探與開發獲得了一系列重要突破。開采頁巖氣，不但需要高端的鉆井技術，更需要精準的黑色頁巖地層層位標定，其中生物地層標定是鉆井現場最快速和精準的方法，可以直接指導打鉆至精準的頁巖氣層位。

“我國最主要的頁巖氣資源正好處在含筆石的地層中。”張元動說，“這是我國頁巖氣資源非常有特色的地方，像美國很多頁巖氣資源更多的是在泥盆紀、石炭紀地層中，這些就不是筆石化石較多的地層了。在我國的涪陵頁巖氣示范區，頁巖氣所在的層位就是奧陶紀晚期到志留紀早期，這一段時期的黑色頁巖里含有大量的筆石。”

就這樣，筆石研究這一看似非常基礎的古生物門類研究，在國家能源資源勘探中大顯身手。