往岩石里钉进去一颗“金钉子”，就可以对全球地层进行划分和对比，并确定地层的年代，这是不是听起来有点匪夷所思？为何这枚“钉子”如此神奇？它是如何帮助记录地球生命与历史的？这要先从它的地质学概念谈起。

01 什么是“金钉子”？

1869年5月，随着一枚金质道钉的敲下，连接美国东西海岸的太平洋铁路彻底融会贯通。这枚在美国铁路建设史上具有里程碑意义的“金钉子”，在100多年后被地质学家用于指代一个极为重要的年代地层划分标准——“全球界线层型剖面和点位”，它是划分和定义全球年代地层的基本单位“阶”及更高层单位的底界的国际标准。我们学过历史，知道各个朝代之间的更替存在确切的时间，这些时间来自史书的记载。地球自46亿年前诞生开始直到今天的历史则由地球亲自书写，书写在如同书页一样一层一层的地层中，每一层岩石就相当于史书中的一页，记录了其形成时的环境信息和生物信息，从而可以用于还原地质历史。

但是，地球在不同环境和不同大陆所书写的地层之书并不相同，往往记录了局部地区和环境中的历史，即使在同一块大陆上所书写的地层之书，也可能在上亿年的板块运动和海陆变迁等地质作用中变得支离破碎。我们该如何确定一个标准，来对书中的每一章进行划分，根据这个标准将世界各地的地层之书对应在一起，同时确定每个章节的开始时间呢？这便是“金钉子”的作用。

02 想要成功确立一颗“金钉子”，可不是件容易的事

“金钉子”可以确定一套年代地层单位开始的位置（通常是某种古生物化石的首现）及其开始的时间，而全球的地层都可以根据这个标准来进行比对。这样在研究世界各地的地层时，我们就可以知道该套地层的年代，与其他地区地层之间的对应关系，并进一步开展工作了。

要确立一颗“金钉子”，需要满足以下几个条件：

①露头必须有足够的沉积厚度。足够的沉积厚度代表充足的时间间隔，并拥有良好的时间分辨率，更易于进行地层划分。

②连续沉积，无构造扰动，无变质作用。沉积间断、构造扰动会使得地层序列不连续。变质作用会对后期的磁性地层学和化学地层学研究造成影响。

③具备丰富多样、保存完好、具有全球代表性的化石类群，以便能识别连续的生物演化序列并进行全球对比。虽然绝大部分“金钉子”主要根据一种古生物化石的首现层位来进行确定，但如果同一剖面也存在丰富的其他门类的化石，则能极大增强该剖面的全球对比性。

④有利于远距离生物地层对比的岩相，且在界线处岩相变化不大。深水或者远洋环境中形成的沉积岩，更容易保存全球广泛分布的生物化石。而变化的岩相代表环境变化或者沉积间断，如果界线处标准化石的首现与岩相变化存在关联，则有理由怀疑这个化石的出现可能与环境变化或者沉积间断有关，这并不属于生物学意义上的首现。

⑤交通便利，易于到达。这样方便世界各地的科学家前去参观和对比研究，确保“金钉子”的公开性和可验证性。

03 这样的钉子，中国已有11颗

“金钉子”研究最核心的工作是古生物学和地层学研究。首先要对研究目标时间段内的生物和地质特征进行全球性的了解，并根据先前的研究状况选定最有潜力的工作区域和剖面。之后针对该剖面的古生物学和生物地层学开展系统的研究，确定用于定义“金钉子”的标准化石，并对该化石的谱系演化关系进行详细研究，确定其首现层位。

除了标准化石的古生物学和地层学工作以外，想要增强候选“金钉子”的竞争力，还要对该剖面上其他门类古生物的生物地层学、沉积岩石学、同位素地球化学、磁性地层学、同位素年龄测定以及该剖面的古环境背景等进行研究，充分增加候选“金钉子”在全球对比方面的潜力。

目前，“国际年代地层表”中有100多颗“金钉子”，经过全球科学家几十年的探索，已经有80多颗“金钉子”被国际地质科学联合会正式批准。我国目前已经“夺得”11枚“金钉子”，位居世界第二，这意味着我国在地球科学研究领域，特别是地层学方面的综合实力达到了世界领先水平。而这体现了国家的强盛、良好的科研环境以及研究人员扎实的研究基础和锲而不舍的科研精神。此外，我国国际地位的逐渐提升，也对我国在“金钉子”的争夺中起到了重要作用。

当然，对一枚“金钉子”的研究并不是随着它的确立而结束。“金钉子”在确立之后，还要对其进行更详细的全球对比，通过多学科研究揭示“金钉子”所在时间发生的地球环境变化和生物演化事件，进行十万年级、万年级甚至千年级别的更高精度的时间框架研究，指导油气资源勘探等。

目前，大数据和人工智能在地球科学研究中发挥着越来越重要的作用，将“金钉子”研究融入目前我国科学家领衔发起的“深时数字地球”的国际大科学计划中，建立基于大数据和人工智能模型的高精度、高分辨率的深时时间轴，对于解决上述问题有重要意义。

【知识拓展】除了金钉子，还有“银钉子”？

其实，原本并无“银钉子”，这是由“金钉子”所引申而来的说法，它的正式名称是“全球辅助界线层型剖面和点位”。在地球某一特定历史时期，全球不同地区所保存的地质记录的内容各异，而且一般情况下，不存在完美无缺的地质记录，即使是那些被确定为地层“金钉子”的剖面和点位亦如此。因此，在确定“金钉子”时，会“选拔”一两个剖面或点位来辅助“金钉子”，这便是被习惯地称为“银钉子”的“全球辅助界线层型剖面和点位”。

作者：牛长泰 中国科学院南京地质古生物研究所博士

审核：马志飞 北京地质矿产勘查院高级工程师，中国科普作家协会会员，科普中国专家

策划：翟国庆 阎冬

出品：科普中国

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来源: 科普中国

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