巖石測年

所有哺乳動物共同祖先的化石形成于1.65億年前，而最古老的哺乳動物化石至少可以追溯到2.25億年前。哺乳動物族系最古老的親戚大約生活在3.15億年前。我們是怎么知道的？怎么才能確定化石的年代呢？

為多層含化石巖石確定年代和順序的原理被稱為地層學（希臘語中的“多層巖石的研究”）。該領域最先出現的原理是層疊法，由丹麥醫生尼古拉斯·斯蒂諾（Nicholas Steno）于1669年提出。在所有層狀巖石層序中（例如沉積巖層，甚至熔巖流），最先形成的巖石層都處于底部，越往上的層序歷史越短。這是一個簡單的常識：堆疊東西的時候只有先準備好下層才能繼續往上堆東西。想象一下一張凌亂書桌上的一堆紙，你一眼看到的是位于頂部的紙，而幾周都沒見到的紙位于紙堆的下方。

到1795年的時候，威廉·史密斯（William Smith，英國）等地理學先驅發現：已滅絕動物的化石會按時間順序形成一定不可重復的序列，這就是動物區系演替（化石層序）。史密斯和后來的地質學家都認識到，這個序列是確定相對時代（即相對其他參照物而言的年代）的關鍵。換言之，我們可以通過這個方法明確某具化石的歷史短于某個地層或化石組合，但又長于另一個化石組合。

時間流逝中的化石層序和生命歷史首先在英國的化石產地得到研究，隨后在全世界的化石發掘工作中都得到了證實。很多地方都具有這種層序，包括北美西部，尤其是落基山脈和西部高地平原。層狀巖石和其中的哺乳動物化石都按順序排列（圖1.2），最底層是美國西部碗狀沉積盆地里的晚白堊世地層（恐龍時代末期），隨后是哺乳動物時代里前2500萬年的地層。部分地區的沉積盆地同時保存著7000萬～4500萬年前的巖石。下一個序列（4500萬～4000萬年前）在猶他州東北部的因塔盆地里保存得最好。在南達科他州（尤其是大劣地）、內布拉斯加州西部和懷俄明州東部，完美地層露頭和其中精美的化石連續展示出了從3700萬年到最后一個冰河時代的代表物種。我們可以客觀地證明某一序列中的哺乳動物化石歷史，因為光北部平原就較好地保存了整個相關序列的化石。

過去的200年里，地理學家們根據全世界的化石相對序列制定了標準地質年代表（圖1.3），其包括幾個可以進一步細分為多個較短時期的時代。例如，過去的5.4億年是顯生宙，其中包括3個代：古生代（希臘語的“古代生命”，5.4億年～2.5億年前）、中生代（“中間的生命”，2.5億年～6600萬年前，恐龍時代）和新生代（“新近的生命”，6600萬年前至今，也被稱為哺乳動物時代）。各個代又分為時間更短的紀。例如中生代由三疊紀、侏羅紀和白堊紀組成。新生代在傳統上分為第三紀（6500萬年～260萬年前）和第四紀（260萬年前至今）。不過地理學家們最近更傾向于將新生代更加均衡地分為古近紀（6600萬～2300萬年前）和新近紀（2300萬年前至今）。最后，紀又分成世。例如古近紀中包括古新世（6600萬～5500萬年前）、始新世（5500萬～3400萬年前）和漸新世（3400萬～2300萬年前），而新近紀包括中新世（2300萬～500萬年前）、上新世（500萬～260萬年前）、更新世（260萬年～1萬年前，也被稱為冰河時代）和全新世（過去的1萬年）。

圖1.2　美國西部盆地含化石巖層的重疊序列。巖石相互關聯，且都具有隨時間而快速變化的獨特化石組合。古新世的巖石位于懷俄明州（尤寧堡群）的大角盆地（照片F）和新墨西哥州（納西緬托組）。早始新世的巖層是位于落基山脈盆地的多個巖石層序，包括大角盆地的威爾伍德組，懷俄明州溫德河盆地和保德河盆地的沃薩奇組，以及新墨西哥州的圣何塞組。中始新世早期的巖層位于威爾伍德組和沃薩奇組的頂部，以及懷俄明州西南部超覆在威爾伍德組和沃薩奇組其上的布里吉爾組。這一部分與猶他州猶他盆地中始新世的尤因它組和杜切斯河組基部超覆。猶他州最上部的巖層與跨越內布拉斯加州、懷俄明州和達科塔州的白河群（大劣地，照片D）底部的晚始新世巖石超覆。早漸新世巖層在大劣地的白河群最為清晰，而晚漸新世到早中新世巖層在內布拉斯加州和南達科他州的阿里卡拉群以及俄亥俄州中部的約翰迪組（照片C）最為清晰。早中新世晚期巖層位于內布拉斯加州的赫明福德群和約翰迪組的上部。加利福尼亞州的巴斯托組、俄勒岡州的馬斯科爾組和內布拉斯加州西部的奧爾科特組都完好保存著中中新世的巖層。晚中新世中期的巖層位于加利福尼亞州紅石峽谷的紅石組（照片B）、內布拉斯加州瓦倫丁組和灰洞組、俄勒岡州的響尾蛇組和得州狹長地區的克拉里登層和漢普希爾層（照片A）。上新世巖層可見于得克薩斯州的勃朗層，以及加利福尼亞州棕櫚泉組的長層序，其位于安沙波列哥沙漠的魚溪——巴耶西托荒地。這些巖層也經歷了更新世的冰河時代。

圖1.3　左：地質年代表。右：不同大陸上的新生代陸生哺乳動物期NALMA=北美陸地哺乳動物期，SALMA=南美陸地哺乳動物期，ELMA=歐洲陸地哺乳動物期，ALMA=亞洲陸地哺乳動物期。

這種細分方法全球通用，不論化石是來自陸地還是海洋。世還可以根據當地的化石序列細分為更短的當地時期。例如，一個地層中的化石哺乳動物組合在往下一個地層過渡時發生的巨變可以讓古生物學家確定當地的陸地哺乳動物時期。每塊大陸的當地時期都不相同，因此世界上既存在北美陸地哺乳動物期（NALMA），也存在類似的南美（SALMA）、亞洲（ALMA）、歐洲（其使用MP表示古近紀哺乳動物，用MN表示新近紀哺乳動物）和非洲陸地哺乳動物期。很多地區的陸地哺乳動物期還能根據關鍵化石所在的地層分為更短單位，例如帶。它們是新生代里最小的單位，持續時間一般不足1萬年。