陳飛揚 張志亮

新冠病毒仍在全球肆虐，地球上進化出的最高度的文明再次受到介于非生命與生命之間的群體的威脅。天然的疆界局限了人類的行蹤，千山所阻、百川相隔。面對面的交流與活動被迫中止，由科技支撐的網絡活動每日在線，卻令我們的感官逐漸疲乏。在后疫情時代，對我們人類來說，大自然竟然變得那么遙不可及。時隔兩年，我們有幸再次相約前往澳大利亞南部的弗林德斯山脈。此次野外科考由麥考瑞大學（Macquarie University）、新英格蘭大學（University of New England）和阿德萊德大學（University of Adelaide）三個單位共同組織，主要研究南澳大利亞州厄勞威盆地（Arrowie Basin）中南部伊卡拉–弗林德斯山脈國家公園（Ikara-Flinders Ranges National Park）內的寒武紀早期古生物與地層，并完善弗林德斯山脈世界文化遺產的申請工作（圖1）。

圖1 露營地廚房墻壁上張貼的世界遺產申請的宣傳海報

由于夏季炎熱、冬季少雨，經年累月的自然侵蝕使得弗林德斯山脈裸露出獨特的暗紅色厚層狀巖層，而嶙峋的山谷布滿了澳大利亞本土的常青桉樹，四季如一。冬日里余暉斜照，遠遠望去讓人頓覺蒼勁而闊遠，仿佛時光早已凝固在8億多年前的新元古代（圖2）。時值六月，南半球初冬的寒風吹響整個山林，好似讓冬眠的動物們睡得更沉，而把天地的廣闊留給奔跑的袋鼠、散步的鴯鹋和翱翔的楔尾雕（圖3）。

圖2 弗林德斯山脈地區(qū)典型地貌

圖3 野外考察期間觀察到的南澳生物

弗林德斯山脈前寒武紀—寒武紀地層代表地球進入了早期生命演化的一個非凡窗口期，在古生物界被稱為“動物生命的黎明”。一系列連續(xù)的地層展示了地球在3.5億年間（距今850 Ma—500 Ma之前）劇烈波動的氣候和環(huán)境的地質記錄，證明了在此期間地球具有產生多細胞后生動物的特殊宜居條件。弗林德斯山脈的地層中記錄了“動物生命的黎明”的動態(tài)演化過程，包括最初“開場”的微生物疊層石及早期原始多細胞生命，隨后出現以奇特的埃迪卡拉生物群為代表的多細胞后生動物，以及最后進化出的壯麗的寒武紀生命大爆發(fā)期間的動物骨骼、四肢、眼睛等器官和捕食、垂直潛穴等行為。而這些寒武紀生命大爆發(fā)的記錄，正是地球上大量現生動物生命形式起源以及復雜生態(tài)系統(tǒng)建立的標志。這些得天獨厚的自然資源，使得其滿足世界自然遺產選擇標準的第八條。我們此次地質考察的目標是這處擬申報世界遺產的第三個遺址點：伊卡拉–弗林德斯山脈國家公園（31°21′33.75″S，138°38′32.581″E）， 其 研 究剖面邦克斯谷（Bunkers Graben）位于國家公園東部的威爾卡維利納峽谷（Wilkawillina Gorge）內（圖4-5）。

圖4 谷歌地圖顯示我們的營地與研究剖面位置

圖5 伊卡拉-弗林德斯山脈國家公園東部的威爾卡維利納峽谷

當天我們師生一行8人在阿德萊德機場匯合，隨后采購了兩周的食材。第二天，驅車北上400公里進入弗林德斯山脈地區(qū)。適逢假期住宿房屋緊張，我們選擇先在柳泉站（Willow Springs Station）的老鷹三號營地露營一周（圖6），第二周轉入剪羊毛工人宿舍。

圖6 柳泉站的老鷹三號露營地

威爾卡維利納峽谷地區(qū)寒武紀早期碳酸鹽巖臺地的沉積和成巖作用由弗林德斯大學的克拉克博士（Jonathan D. A. Clarke）在1990年研究過，但是其中的古生物描述比較簡略。在此基礎之上，我們將對該套前寒武紀—寒武紀地層（跨越埃迪卡拉系龐德砂巖群羅恩斯利（Rawnsley）石英砂巖組、寒武系霍克（Hawker）群伍登迪納（Woodendinna）白云巖組、威爾卡維利納灰?guī)r組、帕拉拉（Parara）灰?guī)r組和邦克斯（Bunkers）砂巖組）進行系統(tǒng)的古生物地層研究。由于格拉維斯托克博士（David Gravestock）在1984年所描述的層型剖面位于威爾卡維利納峽谷內一個陡峭的山谷，我們決定選取地勢起伏較小、出露較好的三號點作為此次的研究剖面。邦克斯谷剖面全長約1.3公里，根據不同巖性，麥考瑞大學與新英格蘭大學的成員每隔2～10米分別采集小殼化石巖樣一袋、薄片巖樣一塊和地球化學巖樣一塊，而阿德萊德大學的成員對整個剖面進行了三維攝影與錄像，并負責后期的三維地貌重建。

該區(qū)出露的基底為埃迪卡拉系龐德砂巖群羅恩斯利石英砂巖組邦妮（Bonney）砂巖段中薄層暗紅色石英砂巖，向正南方傾斜（傾角43°），之上與寒武系呈平行不整合接觸（圖7）。而伊卡拉國家公園西部則在邦妮砂巖段之上發(fā)育埃迪卡拉段（Ediacara Member），富含保存精美的埃迪卡拉生物群化石。由于大量埃迪卡拉紀晚期地層的缺失，該區(qū)還未發(fā)現過前寒武紀的動物化石。邦妮砂巖段內部發(fā)育大型波痕，有時可見上下兩層波痕結構之間存在約90°的夾角，表明其方向在短時間內改變了約 90°（ 圖 8A）。 此外，巖層表面還可以見到細微的條紋結構，很可能是在波浪條件下由微生物所誘導形成的沉積構造，也叫做MISS（Microbially Induced Sedimentary Structure）（圖8B）。底痕（sole或tool marks）也十分常見（圖8C），反映了較強的波浪或洋流推動粗粒沉積物所形成的構造。

圖7 威爾卡維利納峽谷內前寒武系—寒武系界線

圖8 埃迪卡拉系邦妮砂巖段

由于峽谷的發(fā)育與植被的覆蓋，該剖面的前寒武系—寒武系界線出露得十分有限。在埃迪卡拉系紅色砂巖之上，寒武系中厚層的伍登迪納白云巖與其呈平行不整合接觸（圖9）。伍登迪納組主要由細晶白云巖組成，夾雜白云質、砂質碎屑巖，有時發(fā)育鮞粒（圖10A），反映了偶爾高能的潮間帶沉積環(huán)境。而其中夾雜的粗晶白云巖，很可能是在成巖作用期間破壞了原生細晶顆粒而重新結晶形成。古生物方面，只發(fā)現了少量的古杯及疊層石化石（圖10B），并未發(fā)現其他殼體化石。

圖9 邦克斯谷剖面埃迪卡拉紀紅色砂巖之上平行不整合接觸著寒武紀中厚層伍登迪納白云巖（箭頭指示二者界線的放大圖）

圖10 伍登迪納組白云巖

野外考察期間我們遭遇了罕見的冬雨，于是大家商議去參觀澳洲唯一的金釘子：埃迪卡拉紀層型剖面與點位（圖11A）。值得一提的是，此區(qū)的成冰紀馬里諾冰期冰磧巖上覆的沉積巖為灰?guī)r成分，與華南的蓋帽白云巖有很大不同（圖11B）。這套全球同期發(fā)育的碳酸鹽巖地層是地球雪球事件之后沉積的第一套地層，其形成原因目前也莫衷一是。占沉積巖總量20%的碳酸鹽巖通常是一系列的化學與生物化學沉積的結果，而這套蓋帽碳酸鹽巖的沉積卻很可能是非生物成因所致，因此詳細的化學沉積過程和沉積環(huán)境還有待更深入的研究。

圖11 成冰紀馬里諾冰期冰磧巖上覆的蓋帽碳酸巖

伍登迪納白云巖之上整合接觸威爾卡維利納灰?guī)r，后者主要由泥晶灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r組成，含大量的殼體化石。與華南大約同期的水井沱組小殼化石相比，該地區(qū)的殼體很少被二次磷酸鹽化，大多以原始的碳酸鈣形式保存。該組最常見的化石為碳酸鈣質古杯：一種已絕滅于寒武紀晚期的淺海底棲動物門類。它們是地球上最早的造礁動物，在寒武紀早期的澳大利亞板塊和西伯利亞板塊廣泛發(fā)育，豐度極高。值得注意的是，在寒武紀早期至中期，古杯動物是海洋中主要的造礁生物，自古杯動物滅絕后，礁巖（即碳酸鹽的堆積體）變得非常罕見，直到奧陶紀時期，珊瑚綱動物興起后才重新開始造礁。威爾卡維利納組內的古杯常常形成大型的生物礁體（圖12AC），在原位保存的古杯化石中，往往可以看到在古杯邊緣有與其共生的暗色的環(huán)狀微生物群落（圖12D），這類共生微生物在現代健康的珊瑚礁中十分常見（圖12F）。這些微生物大量聚集在礁體的空隙與連接處，促進了礁體的固結與穩(wěn)定生長，在寒武紀早期古杯礁生態(tài)群落中發(fā)揮著重要的固結作用。在保存較好的化石中，還可以見到隔壁、管室和微孔（圖12E）。此外，疊層石也發(fā)育良好，它們往往保存在古杯礁內部，象征著一種共生關系（圖13）。

圖12 威爾卡維利納組的古杯礁

圖13 威爾卡維利納組碳酸巖礁相中共生的疊層石

威爾卡維利納組底部發(fā)現了最早的磷酸鈣質殼動物Askepasma，它是澳大利亞板塊寒武紀第三個小殼化石帶Kulparina rostrata的特征分子，可能為一類已經滅絕的干群腕足動物（圖14AB）。由于其為原生磷酸鈣質殼體保存，可以通過醋酸酸蝕實驗處理巖石樣品，從而獲得三維立體保存的化石標本。而碳酸鈣質的軟體動物唐努烏拉殼（Tannuolina）以及軟舌螺由于遇酸溶解，只能在破碎的灰?guī)r中現場采集（圖14C）。該組的化石與華南寒武紀早期小殼化石的保存方式有很大的差別。對后者來說，由于在寒武紀發(fā)生了大范圍的聚磷事件，其中的很多化石都是以二次磷酸鹽化的形式保存下來的，因此很容易通過醋酸實驗獲得。但是多節(jié)類三葉蟲是個例外：由于其礦化成分為相對穩(wěn)定的低鎂方解石，它們大都保存了原始的碳酸鈣成分。為什么有些生物類群在條件合適時更容易保存為磷酸鈣質殼體呢？一個很可能的解釋是，像軟體動物和軟舌螺這類生物的原生骨骼很可能是由文石質礦物構成的，在成巖過程中不穩(wěn)定，容易與其他相對穩(wěn)定的礦物發(fā)生交代作用，或被重結晶而破壞了生物結構。此外，具有幾丁質殼體的節(jié)肢動物如高肌蟲等，一般傾向于以磷酸鈣質保存為化石（圖14D）。磷酸鈣質托莫特殼Micrina是該組中部最為常見的小殼化石（圖14E-F），它們由背腹雙殼構成，很可能是舌型貝類腕足動物的祖先。Micrina etheridgei是澳大利亞板塊寒武紀第四個小殼化石帶，大概對應華南的第四個小殼化石組合帶Sinosachites flabelliformis-Tannuolina zhangwentangi。

圖14 威爾卡維利納組中下部殼體化石

野外發(fā)現威爾卡維利納組中部的灰?guī)r表面在風化之后顯示出極為細微的水平層理，但新鮮的斷面中只有較大型的沉積層理（圖15A-B），可能是因為較深色的背景影響到了沉積微層的可見性，但這些化學沉積形成的微層與碎屑巖中的水平層理可能代表著不同的沉積過程。威爾卡維利納組暗色灰?guī)r反映了較深水體的還原環(huán)境，其中含有較多的有機質。在碎屑及有機質含量較多的部位，風化后表現為薄層狀堆積，但由于鈣質含量較高（與稀鹽酸反應劇烈），因此在野外不能輕易將其鑒定為黑色頁巖（圖15C）。

威爾卡維利納組上部發(fā)育厚度0.1～1米的紅層（Reddened Horizon），為弗林德斯不整合接觸（Flinders Unconformity）的標志（圖16）。弗林德斯不整合接觸代表了厄勞威盆地內威爾卡維利納灰?guī)r在淺海陸架環(huán)境中的一系列穿時暴露與侵蝕，在隨后的海侵事件中沉積了富含鐵的疊層石微生物灰?guī)r（圖17），并裹挾著大量的動物（包括軟舌螺、軟體動物、腕足動物和三葉蟲）殼體碎片（圖18A-C）。磷酸鈣質托莫特殼Dailyatia是該組上部最為常見的小殼化石（圖18D），它們可能由多達五種不同的骨板組合而成，并披覆在蠕形動物上。由于還未發(fā)現鉸合骨骼的化石，目前其生物屬性及分類還存在疑問。Dailyatia odyssei的出現標志著我們進入到了澳大利亞板塊第五個小殼化石帶。此外，紅色生物碎屑灰?guī)r的新鮮斷面內還發(fā)現了較多的球形赤鐵礦（圖19）。

圖16 威爾卡維利納組灰?guī)r上部發(fā)育弗林德斯不整合

圖17 威爾卡維利納組紅層中大量聚集的生物殼體碎片（箭頭），以及隨后海侵事件中發(fā)育的微生物疊層石（尾箭頭）

圖18 威爾卡維利納組紅層中的殼體化石

圖19 威爾卡維利納組紅層灰?guī)r中的球形赤鐵礦

我們在這一紅層附近還發(fā)現了該區(qū)最重要的化石：三葉蟲化石。之前的研究提到過該地區(qū)有三葉蟲的存在，但一直沒有詳細的發(fā)掘與研究。此次野外我們采集了一些保存較好的標本，三葉蟲研究專家帕特森（John Paterson） 教授對頭鞍化石進行了初步鑒定，認為有一類可能為擬小阿貝德蟲屬（Parabadiella），可與弗林德斯山脈西部的三葉蟲Parabadiella huoi對比，它代表著澳大利亞與華南最早的三葉蟲類型（圖20）。但是，其是否為全球最早的三葉蟲還存在爭議，有待進一步的研究來確認。

圖20 寒武系第二統(tǒng)三葉蟲化石

弗林德斯不整合接觸之上為威爾卡維利納組頂部的第二平原溪（Second Plain Creek）段，主要由生物碎屑泥灰?guī)r組成，發(fā)育竹葉狀灰?guī)r（tabular block）。這些小灰?guī)r團塊有的被磨圓，有的還保留了原生沉積構造，團塊之間都有弧形的接觸邊緣。布洛克（Glenn Brock）教授解釋道，這套地層的沉積經歷了以下幾個階段：首先在安靜的水體中形成薄層灰?guī)r，在其固結之前或固結之中，薄層灰?guī)r被高能的海水打碎、搬運和磨蝕，然后被轉移到較深的低能水體中堆積下來；而有些還可能被強烈的上涌洋流再次抬升，進而重新沉積，再經歷成巖作用形成竹葉狀灰?guī)r（圖21）。其中未固結的灰?guī)r團塊很可能是被微生物包裹而保持了特定的形狀（圖21E），并在后期成巖過程中伴隨硅化作用而固結成巖（圖21B）。此外，在一些巖石表面還可以觀察到一系列沿層面平行排列的長約10厘米的乳白色方解石脈，為后期拉伸作用下重結晶過程的產物（圖22）。

圖21 威爾卡維利納組頂部的竹葉狀灰?guī)r層

圖22 威爾卡維利納組竹葉狀灰?guī)r，后期拉伸力作用下形成的重結晶方解石脈

威爾卡維利納組頂部發(fā)現了大量硅化的古杯化石，經過長期的暴露風化，碳酸鈣質圍巖被大量剝蝕，留下凸起的褐色化石保存于巖石表面，十分顯眼（圖23）。為何會有如此大量的化石以二次硅化的形式保存呢？帕特森教授認為所發(fā)現的古杯化石在成巖早期階段依然是碳酸鈣質，但成巖作用后期海水中大量的硅元素在硅化過程中起到了關鍵作用。據推測，當時生活在該淺水碳酸鹽巖臺地的大量硅質海綿是硅元素的主要來源，可能還伴有少量陸相碎屑來源的硅質成分流入。而磷酸鹽化的保存過程與之不同：由于地殼中磷的含量較低，海洋中的磷原料主要來自于大陸風化產物。在持續(xù)風化過程中，微量的磷不斷被帶到遠岸較深水的安靜環(huán)境中沉積下來，當時機恰當時，大量被聚集的磷會被上升的洋流帶到近岸淺水區(qū)，從而形成快速礦化的磷酸鹽保存“窗口”。華南大約同期的寒武系水井沱組磷酸鹽化殼體化石的保存可能經歷了上述過程。雖然我們尚不清楚前寒武紀 – 寒武紀之交全球淺水臺地普遍發(fā)育大型磷礦的原因，但這些磷酸鹽化的特異埋藏窗口確實記錄了生物演化鴻篇巨制中一個章節(jié)的部分精彩畫面。

圖23 威爾卡維利納組頂部硅化的古杯化石

此外，我們在威爾卡維利納組頂部也發(fā)現了一些乳孔貝和舌型貝腕足動物，以及三葉蟲Pararaia（圖24）。后者是澳大利亞寒武紀早期三葉蟲化石帶的標準化石屬。三葉蟲Pararaia tatei目前基本發(fā)現于碳酸鹽巖臺地相中，偶爾也會出現在古杯礁體內側的碳酸鹽巖沙灘環(huán)境中，表明其逐漸適應于礁相環(huán)境。與此相對，華南寒武紀早期缺少造礁生物，碳酸鹽巖相中的三葉蟲主要為可能營浮游生活的小型球接子類，淺水碎屑巖環(huán)境則生活著大量底棲游移的萊德利基蟲，說明相區(qū)對當時三葉蟲的屬種分布和擴散有著非常嚴格的控制作用。

圖24 威爾卡維利納組頂部殼體化石

威爾卡維利納組之上整合接觸的帕拉拉組由薄層灰?guī)r夾粉砂巖組成。我們在該地區(qū)的薄層灰?guī)r中首次發(fā)現了大量個體較大的乳房貝腕足動物（圖25）。粉砂巖表面常見到動物潛穴遺跡化石，是后生動物已經出現并向沉積物之下探索生態(tài)位的活動證據（圖26）。帕拉拉組之上整合接觸邦克斯組中薄層的石英砂巖與粉砂巖。我們的剖面測量終止于由邦克斯組底部砂巖延伸而成的陡峭山峰之上（圖27）。沿著巖層傾斜的方向望去，寒武系灰黃色的帕拉拉組灰?guī)r、褐色的邦克斯組砂巖、被剝蝕而形成平緩地勢的紅色歐拉帕里那（Oraparinna）組頁巖、呈脊狀凸起的埃迪奧威（Edeowie）組灰?guī)r、被剝蝕而形成平緩地勢的比利溪（Billy Creek）組粉砂巖（十里溪（Ten Mile Creek）的水流東西橫貫其中）、隆起在最遠方的弗羅姆湖（Lake Frome）群灰?guī)r，由北向南依次鋪陳（圖28）。

圖25 帕拉拉組薄層灰?guī)r中的乳房貝腕足動物

圖26 帕拉拉組粉砂巖中動物潛穴遺跡化石

圖27

圖28 威爾卡維利納峽谷由北向南依次鋪陳的寒武紀早期地層（上方為南）

自然不造無用之物。如果生命是一組解決問題的結構，那么生物進化的本質就是在面對復雜的生存環(huán)境時如何創(chuàng)造性地有效解決個體所面臨的任何問題。舉手投足間，一砂一石皆奧妙。時間的箭矢一如既往地射向遠方，人類探索著未知，發(fā)現著問題，解答著疑惑。也許終其一生，面對巍巍高山、浩渺星河，會發(fā)現最根本的問題是：其實自己一無所知。在這樣一種無垠的時空尺度啟示下，我們跋山涉水，敬畏每一塊腳下的石頭。夜深人靜，璀璨繁星撫慰了每一具因白晝而疲憊的身體。南十字星座高懸頭頂，在篝火的青煙中隨星河漸漸沉落；大地開始安睡，而銀河系最近的鄰居——麥哲倫星系悄然升起，閃耀在微白的東方（圖29）。

圖29 黎明前南半球肉眼可見的最遙遠的天體——大、小麥哲倫星系，及全天第二亮的船底座α老人星（左下角，視星等為-0.72）盡收眼底。拍照時恰逢一顆流星劃過半空