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“巨兽的时代”：白垩纪的“白垩”，究竟是个啥？

来源：科普中国

出品：科普中国


(资料图片仅供参考)

作者：地星引力

监制：中国科普博览

在地质历史时期中，白垩纪是一个著名的时期——这当然要多亏了生活在这一时期的大量恐龙们，尤其要感谢大名鼎鼎的霸王龙。自从人们将这些恐龙搬上荧幕以来，白垩纪这个属于巨兽的时代便受到了所有人的关注和好奇。同时，白垩纪末期的陨石撞击和恐龙们悲剧性的结局也令人扼腕不已。这些都吸引着人们对这个时代进行探索。其中，关于这个时代，人们最先想到的问题是：它为什么叫作白垩纪？

三角龙

（图片来源：Veer图库）

白垩纪的由来

所有的地质时期的命名，都是地质学家们在研究地层的时候用于划分地层的结果。地球上的地层，如同人的面貌一样，各不相同，如泥岩、砂岩、灰岩、花岗岩等等，每一种地层都截然不同，它们各自代表了不同的形成环境和当时发生过的地质事件。例如，泥岩大多形成于深水处，砂岩多形成于河、湖、海的岸边，灰岩则形成于热带的浅海中，而花岗岩则是由岩浆活动所形成的。

泥岩大多非常细腻，且带黑色

（图片来源：Flickr/James St. John）

砂岩往往为黄色，摸起来粗糙像在摸砂纸

（图片来源：wikipedia）

灰岩往往出现灰黑色或灰白色，偶尔其中还能看到贝类的化石

（图片来源：wikipedia）

花岗岩多出现红色、肉红色，当然也会出现灰色等，但是最大的特点是岩石中有很多粒感明显的矿物颗粒

（图片来源：Pxhere）

这些地层形成后，会构成一个完整的序列，代表着环境的渐变。比如海平面下降，会导致沿海湖泊和河流的消亡，自然深水就会变成浅水，泥岩也就变成了砂岩，所以这个序列应该是泥岩在下，砂岩在上。

然而，在完整的序列之外，也会有不完整的序列，比如突然出现厚层的火成岩，这代表着剧烈的火山活动打断了渐变的环境。而当火山活动消失后，则又开始了新一次的岩石序列的形成。在此情况下，地质学家们就会将新老两个连续的岩石序列看作是两个时代。这就是为什么会存在寒武纪、奥陶纪、泥盆纪、白垩纪等诸多名称的原因。

看到这里，可能你会很自然地想到，地质学家们会根据地名或是岩石序列的特点来为这些地层命名。比如“寒武纪（Cambrian）”这一名称的由来，正是因为地质学家们最初是在英国威尔士的一个名为“Cambria”的地方研究当地岩层，便以此地名来命名该地层；泥盆纪（Devonian），则是因英国德文郡（Devon）而得名。而另一个著名的地层石炭纪（Carboniferous）则是以地层的特点命名——出产大量煤矿。白垩纪（Cretaceous）的得名也与此类似，由于英国东部的多佛尔海峡的地层全是白垩，因而得名“白垩纪（Cretaceous）”。

多佛尔海峡

（图片来源：Flickr/Harvey Barrison）

只有白垩纪有白垩吗？

白垩的名称“Creta”来自拉丁文，是一种灰白色的碳酸钙沉积，碳酸钙即灰岩，因此，白垩土就是一种白色的灰岩。如果从其成分上来讲，不光只有白垩纪有灰岩，地球上大部分时期都有灰岩存在。但是白垩还有另一个特点——白，非常白。

这一特征正是它被叫作白垩的原因，而白垩确实只分布在西欧的白垩纪地层中。因此，若是从其特点来讲，只有白垩纪有白垩。这与形成白垩的生物以及当时的环境都有关系。

白垩与球石藻

白垩的主要成分是文石，其化学成分是碳酸钙（CaCO3），它是生物钙化的产物。（*注：文石（CaCO3），是方解石矿物的一个变种。在整个方解石矿物体系中，有低镁方解石、高镁方解石和文石等不同的矿物。在这之中，高镁方解石和文石并不常见，它们不稳定，并最终会转变为低镁方解石，即我们最常见到的石灰岩的主要组成物质。在自然条件下，它们既可以由海水中的天然化学反应形成，也可以由生物的钙化作用形成。因此，就算是过去的某一段时间内，经由天然或生物作用形成过类似的文石，它们可能也都经历了方解石化，并最终变成了低镁方解石。）

我们最常见的生物钙化产物就是骨骼，无论是我们自己的内骨骼，还是贝壳的外骨骼，其主要成分都是钙。我们常见的灰岩，其成因也大多是因为生物骨骼中的钙沉淀而形成的，但白垩则是来自一种独特的生物——球石藻。

生物钙化的起源很难说清，有的观点认为生物钙化是由于寒武纪早期海水中钙离子浓度飙升，开始对生物细胞产生毒性，生物为了给细胞解毒，不得不进化出排泄钙的手段，这种排泄手段进一步演化，则变成了动物的内外骨骼，以及球石藻这种藻类的钙质外壳。

如果我们在显微镜下观察，就会发现球石藻由漂亮的钙质外壳所组成，它们呈片状、板状、圆环状覆盖在藻类外侧，把这些藻类塑造成微小的球粒状，这也是它们之所以被叫作球石藻、颗石藻等的由来。

现代不同种类的球石藻显微图片

（图片来源：de Vargas C, Aubry M P, Probert I A N, et al. Origin and evolution of coccolithophores: from coastal hunters to oceanic farmers[M]//Evolution of primary producers in the sea. Academic Press, 2007: 251-285.）

倘若更详细观察，就会发现，球石藻的钙质骨骼是由细小的针状文石矿物所组成的。

在欧洲，早期的科学家们发现了白垩地层之后，就一直在对其进行研究。科学家们发现，白垩最主要的成分就是球石藻的骨骼，虽然在显微镜下极少能见到完整的球石藻，几乎都是其钙板碎片，但这并不妨碍科学家们从其中识别出白垩的成分。

显微镜下的白垩

（图片来源：Ineson J R, Stemmerik L, Surlyk F. SEDIMENTARY ROCKS| Chalk[J]. 2005.）

现代球石藻上色显微图

（图片来源：wikipedia-NEON ja）

球石藻的正式名称为钙板金藻（coccolithophores），属于定鞭藻门。经过对化石的研究，以及分子生物学的研究，科学家们发现，直到大约1.85亿年前的侏罗纪，这种生物才演化出来。

问题来了，既然球石藻出现的这么早，但为什么直到白垩纪，白垩才开始大规模的产生呢？

白垩纪独特的海洋环境造就了球石藻的旺盛繁衍

有科学家认为这可能是海洋环境的原因。在海水中，不仅存在着钙元素，还存在着镁元素，这二者的性质很相似，所以很多时候镁元素都能取代钙元素的位置和功能。

而经过研究发现，海洋中的镁/钙（Mg/Ca）比值并不是固定的，而是不断波动的。当镁元素含量高的时候，比如现代，球石藻的产量就很低下，而当镁元素含量低，钙元素含量高的时候，球石藻的产量就很高。

而侏罗纪和现代，正好是镁/钙（Mg/Ca）比值高的时候。只有白垩纪，镁/钙（Mg/Ca）比值达到了历史最低点。也就是说，白垩纪是地质历史上最适合球石藻繁衍的时代。

C为寒武纪，O为奥陶纪，J为侏罗纪，K为白垩纪，底下横坐标时间单位为百万年，从左到右分别为5.5亿年，5亿年...1.5亿年、1亿年、0.5亿年

（图片来源：Stanley S M. Influence of seawater chemistry on biomineralization throughout Phanerozoic time: Paleontological and experimental evidence[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2006, 232(2-4): 214-236.）

白垩纪欧洲古地理，图层之下的黑色轮廓线为现代国境线

（图片来源：Csiki-Sava Z, Buffetaut E, Ősi A, et al. Island life in the Cretaceous-faunal composition, biogeography, evolution, and extinction of land-living vertebrates on the Late Cretaceous European archipelago[J]. ZooKeys, 2015 (469): 1.）

在种种巧合之下，球石藻才得以在欧洲大面积繁殖开来，我们或许能从现代球石藻藻华中看到当年它们繁盛时期的影子。而正是这种繁盛，造就了欧洲的著名白垩纪海岸。

1999年7月24日赫氏圆石藻藻华（球石藻的一种）水华

（图片来源：USGS）

白垩纪海岸

（图片来源：wikipedia）

编辑：应奕可

参考文献：

[1]de Vargas C, Aubry M P, Probert I A N, et al. Origin and evolution of coccolithophores: from coastal hunters to oceanic farmers[M]//Evolution of primary producers in the sea. Academic Press, 2007: 251-285.

[2]Stanley S M. Influence of seawater chemistry on biomineralization throughout Phanerozoic time: Paleontological and experimental evidence[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2006, 232(2-4): 214-236.

[3]Csiki-Sava Z, Buffetaut E, Ősi A, et al. Island life in the Cretaceous-faunal composition, biogeography, evolution, and extinction of land-living vertebrates on the Late Cretaceous European archipelago[J]. ZooKeys, 2015 (469): 1.

[4]Ineson J R, Stemmerik L, Surlyk F. SEDIMENTARY ROCKS| Chalk[J]. 2005.

关键词： 科学家们 低镁方解石

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