在地球漫长的历史长河中，地层就像一本厚重的史书，忠实地记录着历史进程中发生的大小事件。但这本 “史书” 并不完整，里面有许多缺失、残缺的篇章，处处遇到一些令人费解的 “谜题”。

1.  地层：记录时间的 “残缺史书”

我们知道，地球已经有45.6亿岁了，在大部分时间内，沉积地层就是地球历史的见证者。地层宛如一摞厚厚的书，每一层岩石都代表着一段特定的时间。然而，当我们试图翻开这本 “史书”，探寻地球过往的奥秘时，却发现它并不完整。科学家们通过深入研究发现，地层中实际记录的历史微乎其微。这一现象背后，有一个重要的假说 —— 萨德勒效应（Sadler effect）。

美国地质学家Sadler (1981)研究发现，测量得到的沉积速率会随着测量时间尺度的增加而降低。想象一下，我们以一年为时间尺度去测量某一区域的沉积速率，得到一个数值；然后以万年为时间尺度再去测量，会发现这个数值变小了。这是因为在较长的时间尺度内，沉积过程并不是持续稳定进行的，期间穿插着侵蚀、无沉积等阶段。这些“插曲”使得在长时间段内计算出的平均沉积速率出现明显低值，也导致地层记录的时间占地质历史总时间的比例极小，而这一微小的时间保存比例，就是地层记录的完整性。萨德勒效应量化了这种完整性的程度，让我们更清晰地认识到地层记录在时间保存上的极度不完整性特点。

例如，在研究苏格兰Torridonian超群Applecross组的砂岩剖面时，人们发现，构成该剖面的单个地层单元是在几分钟到几小时的时间尺度上沉积的（图 1）。但整个剖面可见的厚度大约有300米，代表了跨越约 2500万年的时间。相比之下，我们所见岩层的沉积活跃时间加起来远远小于地层所跨越的时间。这就好比一本记录了 2500 万年历史的书，真正有文字记录的历史资料却少得可怜，而萨德勒效应就像是解开这本 “残缺史书” 时间谜题的一把关键钥匙，帮助我们理解为什么地层记录如此不完整。

图 1 苏格兰Applecross组砂岩。整个可见剖面约 300 米厚，占Applecross组总厚度的约 6%。因此，从整个地层所跨越的时间推断，其代表了约 2500 万年的地层总时间。该剖面整体上均发育近景中显示的分米级单斜交错层理。笔记本上的比例尺长 0.15 米。图件源自Paola et al. (2018)

2.  奇怪的地层现象：时间都去哪儿了？

2.1 新灾变论的兴起与挑战

面对地层中大量缺失的时间，科学家们很好奇地探寻：时间都去哪儿了？为此，科学家们提出了各种解释。广为接受的新灾变论认为，地层中保存下来的应该是那些罕见的、极端的事件，比如巨大的洪水、小行星撞击等。因为地层记录的时间如此不完整，那么被保存下来的事件肯定是非同寻常的。按照这种认识，可以将ε作为衡量地层时间记录完整性的关键参数。例如，以一年为参考时间段，当ε = 0.5，表示该记录覆盖了研究时间段的 50%，那些在记录中保存下来的地质事件，其重现间隔大致为 1/ε 年（当ε = 0.5 时，重现间隔约为 1/0.5 = 2 年）。这意味着，地质记录的时间完整性越差（ε 值越小），保存下来的事件的重现间隔在理论上就越长。从地质时间尺度来看，如此漫长的重现间隔意味着此类事件在地质历史进程中出现的频率极低，属于极为罕见的事件类型。像6600万年前白垩纪末期的小行星撞击，以及2.51亿年前的西伯利亚大火成岩省事件等，都曾被认为是地层记录中的“主角”。

2.2 地层中的现实：平凡的沉积记录

随着研究的深入，科学家们发现，至少在河流和三角洲沉积记录中，情况并非如此。通过对沉积构造的研究，人们发现地层中记录的运输条件大多相当普通，水流速度通常只有每秒几米，剪切应力也只有几帕斯卡。就拿沙丘交错层理的形成条件来说，并没有什么特别之处。这就产生了一个矛盾：为什么被保存下来的沉积记录如此平凡，而沉积记录的保存却又如此罕见呢？科学家们把这种现象称为 “奇异的平凡性（strange ordinariness）”（Paola et al., 2018）。

3.  理解时间记录的方式：数学模型与物理过程

3.1 数学模型的启示

为了理解地层中时间的记录方式，科学家们建立了各种数学模型。其中，康托尔尘模型（Cantor dust model）就很有意思（图 2a）。想象一下，有一根代表时间的线条，我们不断地从这根线条上删除一部分，就像把一根木棍不断地切成小段扔掉，这就类似于地层中保存下来的时间。这个过程不断重复，剩下部分的占比会趋近于零，就像地层记录的时间在漫长的地质历史中所占的极小比例那样。

图 2 （a）一系列地层高程图展示了保存时间的康托尔尘模型（Plotnick, 1986; Miall, 2015）。下方序列条带展示了康托尔迭代的三个阶段；每个阶段都涉及从之前阶段的每根条带中移除中间三分之一。在此之上是在三个时间分辨率水平下的地层高程图，其中沉积事件与下方条状物中相应的保存时间间隔相匹配。停滞时间（水平段）被认为未被保存。上方的高程序列是下方浅蓝色序列的复制，叠加了一个序列（绿色虚线），该序列没有停滞时间，但其中沉积和侵蚀事件的序列产生了与原始地层高程序列相同的间断和时间保存分布。（b-c）地表演化的随机行走模型如何生成一维地层的示意图（Schumer et al., 2011）。沉积和侵蚀事件是在恒定时间间隔内的正向和负向跳跃，图b和图c之间的柱状图表示一个示意性的地层柱状图，侵蚀边界用红色水平虚线表示。（d）测量的沉积速率与平均时间间隔的双对数图示意图（Sadler效应）。图件均修改自Paola et al. (2018)。

类似地，还有布朗运动以及列维运动模型（图 2b）。这些模型把地表的演化看作是一种随机游走，沉积和侵蚀事件就像随机跳跃，只不过有时候向上跳跃（代表沉积，会让地层变厚），有时候向下跳跃（代表侵蚀，会让地层变薄）。如果跳跃距离的概率分布具有指数衰减的尾巴，那么总和就类似于经典的布朗运动（Brownian motion），这可以理解沉积和侵蚀对地层记录的影响；如果跳跃距离的概率分布具有幂律衰减的尾巴，那么就由列维运动（Levy motion）控制，这有助于解释地层中一些不常出现但幅度较大的变化现象。

这些模型帮助我们理解了沉积和侵蚀事件是如何影响地层记录的，然而它们也有局限性。除了沉积和侵蚀，实际上还存在沉积的“停滞期”，即既没有沉积也没有侵蚀。而这种 “停滞期” 的影响在模型里没有体现出来。

3.2 物理过程的影响

在实际的地质过程中，有很多因素会影响时间在地层中的保存。从外部因素来看，主要与沉积物供应的变化有关。沉积物供应的可变性主要源于构造抬升率、沉积物产量变化及沉积物的存储与释放。但在综合分析侵蚀速率、沉积速率、流域泥沙输移、河流系统特性等因素后，Sadler and Jerolmack (2015) 发现，在不同时间尺度和广泛的碎屑沉积环境中，平均单位沉积通量基本保持稳定，因此沉积物的外部供应不是影响地层中时间记录的决定性因素。

盆地的物理沉积运输系统的自组织（self-organization），却对时间保存起着重要作用。比如河流中的河道和沙坝，会影响沉积物趋向于集中搬运，导致沉积局部化。当这些沉积相在盆地中迁移时，每个点在不同时间会经历不同的沉积情况。例如河流的改道会导致局部地区的沉积活跃时间很短，大部分时间处于沉积停滞状态。尽管外部因素的变化也会影响地层的形成和时间的保存（例如相对海平面变化、气象因素和构造过程等），但自组织在时间保存方面似乎更为关键。

4. 不同地质背景下的地层记录：对比与发现

4.1 低容纳空间克拉通序列

克拉通内部的地层是研究地层时间保存的重要窗口。一般认为，这种低沉积速率的地区保存时间的记录较差，原因在于其沉积过程时常被中断，保存事件较少。然而，通过对美国密西西比河上游河谷地区的下古生界研究发现，如果从三维视角和较大尺度范围来看，克拉通地层在完整性方面可与高沉降速率地区的地层记录相媲美（图 3）。这里的地层在不同时间尺度上呈现出不同的特征。在“代”一级时间尺度上，由于主要的层序边界间断时间长，记录确实比较差。但在较小的时间尺度上，从纹层、准层序到准层序组，这些地层在物理上与沉积速率高得多的地区的地层相似。而且，通过侧向加积作用，这些地层在三维空间中保存了更多的时间信息。比如，一些生物带的沉积物厚度与北美其他地区相似，甚至一些大规模的碳同位素事件，如Steptoean碳同位素正偏移事件（SPICE），在这里也有完整的记录，其累积厚度与全球最厚的记录相当。

图 3 （a）北美密西西比河谷上游(Upper Mississippi Valley，UMV)克拉通内部寒武纪和下奥陶纪地层的代表性剖面，显示了准层序级别地层的明显横向挤压。牙形石生物带持续时间~0.5Myr，SPICE持续时间~4 Myr；（b）与（a）中地层比较的美国犹他州白垩纪Book Cliffs地层，蓝色箭头强调了低沉降环境(UMV)中的时间记录是如何与高沉降环境(Book Cliffs地层)中更具垂直叠加特征的记录横向叠加的。图件均修改自Paola et al. (2018)。

不过，侧向加积作用也给地层时间的对比带来了问题。传统的相关性技术可能会认为某些地层在时间上是等效的，但实际上它们可能没有记录时间的重叠。就像在该地区的同一生物带内，相距仅 10 千米的两个地层剖面，由于地层的侧向叠瓦状排列，可能在记录时间上没有任何重叠。

4.2 大陆边缘沉积物

过去认为，大陆边缘的沉积速率极快，可能不存在类似克拉通的沉积停滞期。以美国路易斯安那州新奥尔良市西南约 75 千米处的密西西比河三角洲晚中新世河流沉积物为例，其沉积速率可高达260 m/Myr，远高于克拉通序列地区。然而，通过地震成像、测井和钻孔数据，科学家们发现，这里的地层主要由河道弯曲的侧向迁移和河流改道形成的河道沉积组成（图 4），其中出现了大量的沉积停滞期。研究人员仔细绘制了43个晚中新世至上新世的河道至河道带充填沉积物，这些沉积物的宽度、厚度和延伸范围各不相同。比如，河道带 A 和 B 位于同一个100米厚的地层中，但它们记录的河道却截然不同。A 主要由泥质沉积物填充，B主要由富砂的沉积物填充，然而它们看起来都与现代密西西比河三角洲的河道相似。按照该地区的沉积速率，测量到的河道带厚度需要 4 万年到 35 万年不等。结合全新世密西西比河三角洲河道的改道周期（500-5000 年）推测，这些河道在总沉积时间中活跃的时间占比很小，大部分时间处于静止状态，几乎没有沉积。因此，即便在沉积速率快的地方，沉积系统的静止期也是普遍存在的。

图 4 地震层位切片成像展示了晚中新世河道化河流沉积物的一个 100 米厚的剖面（Armstrong et al 2014），颜色代表了“甜点（sweetness）”属性。“甜点”作为保存地层的含砂量（暖色调）与含泥量（冷色调）的替代指标。该地图界定了多个普通河道及河道带充填沉积物的保存残余。“甜点”表明，河道带 A 的沉积物相对含泥量较高，而河道带 B 的沉积物相对含砂量较高。

5. 实验带来的新认识

为了更深入地了解地层时间的保存机制，科学家们还进行了沉积地貌演化的实验室模拟。在渠道化扇三角洲实验中，研究人员模拟了长期可容纳空间的生成过程，试图研究地层剖面的一维演化过程。

与数值模型不同，物理实验的优势在于地形的变化是由形态动力学自然产生的。实验发现，地形的高度变化时间序列在空间上是相关的，而且任何一点都会经历显著的沉积停滞期。比如，相关实验显示，尽管外部强迫条件保持不变，但地层大多是由短暂、局部、相对快速的正常沉积事件形成的。

此外，物理实验还可以从多个维度监测地形的演化。比如，研究人员通过比较发现，三角洲海岸线的地层完整性比实验范围表面上的任何一点都要高，原因在于三角洲海岸线受多种因素影响而动态变化，多种沉积事件叠加使其地层能保存更全面信息，固定一维点则易因环境变化出现记录缺失，因此这对于环境重建来说是个好消息。而且，扩大横向观测范围可以提高从地层中恢复时间信息的能力。这些资料表明，地层记录的完整性与观测的时间尺度和空间范围都有关系。

6. 地层时间的奥秘与未来研究方向

通过对地层时间记录的研究，科学家发现了许多有趣的现象和规律。地层记录的时间虽然稀少且零碎，但却隐藏着地球历史的重要信息。“奇异的平凡性” 现象表明，地层中保存的大多是普通的沉积事件，而不是罕见的极端事件。这可能是因为快速沉积的短暂间隔，将平凡的沉积事件保存了下来，就像把一只小昆虫包裹在琥珀里一样。

未来，我们需要进一步研究如何更好地衡量地层记录的完整性，尤其关注在不同时间尺度上的差异性。我们还需要深入了解系统内部自组织如何影响沉积速率和时间保存，以及如何从地层中提取更多关于过去环境和事件的信息。

地层中的时间记录是一个充满奥秘的领域，它就像一个巨大的拼图，每一块碎片都隐藏着地球历史的秘密。通过科学家们的不断努力，正在逐渐拼凑出一幅更加完整的地球历史画卷。随着研究的不断深入，相信我们会揭开地层时间记录更多的奥秘，让这本 “残缺的史书” 逐渐变得完整起来。

图件（若非注明）和学术观点均来自下面这篇论文：

Paola C., Ganti V., Mohrig D., Runkel A.C., Straub K.M., 2018. Time not our time: physical controls on the preservation and measurement of geologic time. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 46, 409–38.

其他主要参考文献

[1]  Schumer R., Jerolmack D., McElroy B., 2011. The stratigraphic filter and bias in measurement of geologic rates. Geophysical Research Letters 38, L11405.

[2]  Miall A.D., 2015. Updating uniformitarianism: stratigraphy as just a set of ‘frozen accidents’. Geological Society, London, Special Publications 404, 11–36.

[3]  Plotnick R., 1986. A fractal model for the distribution of stratigraphic hiatuses. The Journal of Geology 94, 885–90.

[4]  Sadler, P.M., 1981. Sediment accumulation rates and the completeness of stratigraphic sections. The Journal of Geology 89, 569–84.

[5]  Armstrong C., Mohrig D., Hess T., George T., Straub K.M., 2014. Influence of growth faults on coastal fluvial systems: examples from the late Miocene to Recent Mississippi River Delta. Sedimentary Geology 301, 120–32.

[6]  Sadler, P.M., Jerolmack, D.J., 2015. Scaling laws for aggradation, denudation and progradation rates: the case for time-scale invariance at sediment sources and sinks. Geological Society, London, Special Publication 404, 69–88.